Дальнейшее распространение интеллектуальных систем по управлению энергопотреблением и большое количество недорогих микроконтроллеров стимулируют рост беспроводных датчиковых сетей с исполнительными механизмами (WSAN), которые находят широкое применение, в т.ч. в системах автоматизации домов, освещения и телемедицине. В статье [1] рассматриваются некоторые основные концепции построения беспроводных датчиковых сетей и протоколов, основные элементы узлов и некоторые важные особенности их использования.
Сети WSAN обеспечивают простое и экономичное решение по установке устройств распределенного контроля и управления, позволяя избежать необходимости в дорогостоящем обновлении проводных систем. Однако отсутствие достаточного опыта проектирования РЧ-систем и пугающее изобилие протоколов беспроводной связи продолжают оставаться главными препятствиями на пути разработчика приложений.
Сети WSAN (см. рис. 1) состоят из небольших распределенных устройств, которые обеспечивают три основных функции: контролируют физические условия и состояние окружающей среды (часто – в реальном времени), в т.ч. температуру, давление, освещенность и влажность; управляют такими устройствами как коммутаторы и электроприводы, отслеживающими эти условия; обеспечивают эффективную и надежную связь по беспроводным сетям.
|
Реализация последней функции является самой уникальной для этих сетей. Поскольку они предназначены для приложений мониторинга и контроля с невысокой скоростью трафика, эти сети не поддерживают, например, Wi-Fi. Типовые скорости передачи данных в датчиковых сетях находятся в диапазоне 20 Кбит/с…1 Мбит/с. Следовательно, они потребляют намного меньше энергии, что, в свою очередь, позволяет реализовать небольшие сетевые узлы с батарейным питанием.
Датчиковые сети, как правило, являются самоорганизующимися и самовосстанавливающимися. Самоорганизация позволяет новому узлу автоматически присоединиться к сети без вмешательства оператора, а функция самовосстановления позволяет узлам найти альтернативные каналы в обход отказавших узлов. Эти функции реализуются в соответствии с сетевой топологией, действующим протоколом по управлению сети и определяют ее гибкость, масштабируемость, стоимость и рабочие характеристики.
В беспроводных датчиковых сетях применяются три топологии: «точка-точка», «звезда» (точка-многоточка) и ячеистая (см. рис. 2). Топология «точка-точка» представляет собой выделенный канал между двумя точками и, по сути, не образует сеть. Звездообразные сети объединяют ведомые узлы типа «точка–точка», управление которыми осуществляется с помощью ведущего узла, обеспечивающего также передачу исходящих данных.
Управляющие узлы, объединяясь с другими главными узлами, образуют сеть с топологией «звезда» в разных конфигурациях кластерного типа (см. рис. 3).
Рис. 2. Базовые топологии беспроводной сети
|
Рис. 3. Кластерное «дерево» – расширенная топология «звезда»
|
Одним из недостатков звездообразной топологии является то, что если происходит сбой в работе главного узла, перестает работать вся подчиненная ему сеть. В ячеистой топологии у каждого узла имеется несколько каналов связи с каждым другим узлом, что обеспечивает наибольшую отказоустойчивость и гибкость такого решения. В большинстве ячеистых сетей используется псевдоячеистая топология с равноправными каналами связи и маршрутизацией. Сообщения проходят по сети, где применяется алгоритм маршрутизации со многими перескоками, который оптимизируется по минимальной задержке или минимальному энергопотреблению. Поскольку каждый узел в ячеистой сети должен иметь информацию о других узлах, которая указывается в таблицах маршрутизации, объем памяти и времени обработки служебных сигналов в сетях с этой топологией больше.
Протокол сетевого управления определяет вид поддерживаемой топологии и способ реконфигурации сети при добавлении или удалении узлов. Протоколы отличаются друг от друга специфическими процессами, используемыми при формировании сети, ее автоматической настройке, маршрутизации и т.д. Помимо таких широко распространенных протоколов как ZigBee и WirelessHART существуют десятки соперничающих друг с другом несовместимых протоколов, у каждого из которых имеются свои преимущества и недостатки. Многие из этих протоколов являются фирменными разработками. В то время как протоколы, поддерживаемые принятым отраслевым стандартом, обеспечивают совместимость изделий разных производителей, некоторые протоколы собственной разработки учитывают такие специфические требования к рабочим характеристикам как простота реализации сети, отказоустойчивость или безопасность передачи данных. С другой стороны, необходимость периодического обновления протокола фирменной разработки привязывает заказчика к одному производителю.
Следует понимать, что не существует единого стандарта для беспроводных датчиковых сетей, как, например, в случае с Wi-Fi-сетями для передачи данных. Напротив, некоторые протоколы появляются де-факто как стандарты для определенных приложений. Например, стандарт ZigBee был создан в мае 2003 г., а его ратификация состоялась в конце 2004 г. Ныне это главный стандарт для интеллектуальных энергосетей и систем автоматизации частных домов и зданий.
WirelessHART является расширением принятого (проводного) протокола HART (Highway Addressable Remote Transducer – адресуемый дистанционный магистральный преобразователь), используемого в промышленных системах автоматизации и поддерживаемого Альянсом HART. Стандарт ISA100.11a, также применяемый в промышленных приложениях, позволяет создать единую беспроводную инфраструктуру, учитывающую возможность ее адаптации к любому типу проводных промышленных сетей, например, Can, Modbus, FieldBus, ProfiBus, HART и т.д. Возможно даже, что протокол 6LoWPAN, продвигаемый Альянсом IPSO (IP for Smart Objects – IP-протокол для «умных» объектов), позволит подключать небольшие встраиваемые устройства в IPv6-сети. Этот стандарт определяет уровень адаптации IP-протокола, который учитывает небольшой размер памяти устройств с ограниченными ресурсами.
В мае 2010 г. организации ZigBee Alliance и IPv6 Forum установили стратегическое партнерство с альянсом IPSO Alliance с целью ускорить принятие стандарта для «умных» объектов IP-сетей в рамках концепции «интернета вещей». Поскольку датчиковый узел располагается в том месте, где необходимо контролировать конкретный параметр, физические размеры и энергопотребление этого узла, как правило, невелики. К числу базовых компонентов датчикового узла относятся микроконтроллер, память, РЧ-модуль, интерфейс датчика/исполнительного механизма, источник питания, встроенное программное обеспечение, в т.ч. сетевой стек протоколов (см. рис. 4).
Рис. 4. Структурная схема датчикового узла
|
Стек представляет собой набор программных модулей, которые выполняют на МК определенный протокол. Это важный элемент датчиковой системы. Поскольку в сенсорных узлах используются, как правило, микроконтроллеры с низким энергопотреблением, стек протокола должен быть небольшим по объему и эффективным, т.е. занимать 64–128 Кбайт внутренней памяти МК, которая также используется прикладными программами датчиков.
Стеки оптимизируются в соответствии с нуждами конкретных приложений, например, по совместимости между разными стандартами, энергоэффективности, скорости исполнения команд, объему памяти, архитектуре МК и т.д. Поставщики микроконтроллеров, как правило, бесплатно предлагают заказчикам своих изделий проверенные и сертифицированные стеки, совместимые по стандартам ZigBee и 6LoWPAN, а также более простые стеки собственной разработки.
Основу стандартного беспроводного сенсорного или исполнительного узла составляет миниатюрный микроконтроллер с низким энергопотреблением. Поскольку часто питание сенсорных узлов батарейное, потреблением МК необходимо тщательно управлять. Большинство протоколов датчиковых сетей предусматривает управление узлами с малоактивным рабочим циклом. Чтобы выполнить определенную задачу, узлы через каждые несколько минут выходят из состояния сна на десятые доли миллисекунд. Поскольку МК проводит до 99,9% срока службы в состоянии сна, количество потребляемого им тока в этом режиме является критичным параметром.
Рис. 5. Средняя потребляемая мощность датчикового узла
|
Ток потребления многих микроконтроллеров, предлагаемых в настоящее время на рынке, в состоянии сна составляет доли 1 мкА. Не меньшее внимание уделяется и тому, чтобы эти устройства потребляли как можно меньше энергии в активном режиме и обеспечивали высокое быстродействие. Микроконтроллеры должны быстро выходить из состояния сна, оперативно выполнять требуемые задачи с использованием протокола связи и возвращаться в спящий режим как можно быстрее, чтобы время их нахождения в активном состоянии было минимальным.
Из рисунка 5 видно, что средняя потребляемая мощность датчикового узла определяется его характеристиками и соотношением времени в активном и спящем режимах.
ts >> tw
Аккумуляция энергии из окружающей среды становится все более распространенным средством, обеспечивающим питание беспроводных датчиковых узлов. Хотя датчик может годами работать, питаясь от литиевой батареи CR2032, техническое обслуживание большой беспроводной сети с сотнями датчиков является непростым делом.
Устройства для сбора энергии позволяют решить эту проблему. Например, стандартный фотоэлектрический элемент, установленный в офисе с освещенностью 300 лк, обеспечивает выходную мощность величиной 50 мкВт.
Пьезоэлектрические устройства для сбора энергии вибраций в диапазоне 50–200 Гц непрерывно выдают мощность порядка нескольких мВт. В сочетании с небольшими перезаряжаемыми аккумуляторными батарейками эти устройства могут эффективно использоваться для питания датчиковых узлов с относительно небольшой длительностью включения.
РЧ-трансивер является другим критичным компонентом беспроводной датчиковой сети. Как и микроконтроллер, трансивер должен быть энергоэффективным, чтобы его работа существенно не сократила срока службы батарей. Трансивер должен характеризоваться малым потреблением в спящем режиме, в режиме приема, иметь программируемый уровень мощности при передаче данных и функцию пробуждения по таймеру.
В настоящее время получили широкое распространение трансиверы, в состав которых входят все необходимые РЧ-цепи – фильтры, усилители, миксеры, модулятор/демодулятор и т.д. в одном небольшом корпусе. Эти трансиверы работают в субгигагерцовом и ISM-диапазонах с использованием схем модуляции FSK, OOK, BPSK и QPSK. В спецификации трансивера указывается чувствительность приемника и мощность передатчика при разных скоростях передачи данных (в единицах дБм, где дБм = 10log(P/1 мВт)). Разность между этими двумя параметрами в первом приближении позволяет определить бюджет РЧ-канала между узлами сети.
2,45-ГГц канал связи с бюджетом 85 дБ на канал обеспечивает передачу данных в радиусе 200 м в полевых условиях прямой радиовидимости. Внутри помещений радиус связи уменьшается до 10 м из-за поглощения радиоволн и влияния условий распространения. Сенсорному узлу требуется либо антенна, установленная на кристалл с помощью технологии поверхностного монтажа, либо антенна, встроенная в печатную плату.
Рис. 6. Стек протоколов, использующий IEEE Std 802.15.4
|
Многие важные аспекты реализации РЧ-блока в значительной мере могут усложнить его проектирование. К счастью, поставщики ИС и модулей производят изделия, которые существенно упрощают эту задачу.
Одним из особенно заслуживающих внимания устройств для построения беспроводных датчиковых сетей является радиомодуль стандарта IEEE 802.15.4. Это устройство с малым радиусом действия и широким диапазоном частот обеспечивает скорость передачи данных до 250 Кбит/с в 16 каналах, используя одну из трех полос ISM и несколько схем модуляции. Устройство, главным образом, предназначено для работы в крупных ячеистых сетях с малым потреблением и низкими скоростями передачи данных. Этот модуль поддерживает ZigBee, WirelessHART, 6LoWPAN, а также многие другие протоколы собственной разработки. В таблице 1 перечислены характеристики физического уровня IEEE Std 802.15.4-2006.
PHY, МГц |
Диапазон частот, МГц |
Модуляция |
Каналы |
Разнесение каналов, МГц |
Скорость потока, Ксимв./с |
Скорость передачи |
Символы |
868 |
868–868,6 |
BPSK |
1 |
– |
20 |
20 |
двоичные |
868 |
868–868,6 |
ASK |
1 |
– |
250 |
12,5 |
20-бит PSSS |
868 |
868–868,6 |
O-QPSK |
1 |
– |
100 |
25 |
16-ричные ортогональные |
915 |
902–928 |
BPSK |
10 |
2 |
40 |
40 |
двоичные |
915 |
902–928 |
ASK |
10 |
2 |
250 |
50 |
5-бит PSSS |
915 |
902–928 |
O-QPSK |
10 |
2 |
250 |
62,5 |
16-ричные ортогональные |
2450 |
2400–2483,5 |
O-QPSK |
16 |
5 |
250 |
62,5 |
16-ричные ортогональные |
Стандарт IEEE определяет требования к физическому (PHY) уровню и к управлению доступом к среде передачи (Media Access Control, MAC), тогда как определение верхних уровней управления сетью осуществляется в соответствии с требованиями конкретного приложения.
2,45-ГГц физический уровень, который работает в нелицензируемом диапазоне частот, использует схему модуляции O-QPSK и расширение спектра методом прямой последовательности (DSSS) с 32-бит псевдослучайными кодовыми последовательностями. Эта комбинация обеспечивает отказоустойчивость при возникновении сосредоточенных помех и позволяет ослабить эффект замирания из-за многолучевого распространения. Стандарт IEEE предусматривает сосуществование с устройствами 802.11 и Bluetooth, которые также работают в 2,4-ГГц диапазоне. Несколько производителей поставляет радиомодули, совместимые со стандартом 802.15.4, по цене менее 3 долл.
Полупроводниковые компании предлагают СнК с высокой степенью интеграции, оптимизированные для работы в датчиковых сетях. Как правило, эти устройства оснащены малопотребляющими микроконтроллерами ARM Cortex-M3 и радиомодулями стандарта IEEE 802.15.4. На рынке, похоже, складывается тенденция к появлению запрограммированных устройств со стеками протокола на базе ПЗУ, что в еще большей мере упрощает проектирование программного обеспечения. Поставщики модулей пошли дальше, предложив полнофункциональные беспроводные решения в виде миниатюрного модуля, в состав которого входят микроконтроллер, радиопередатчик, стек протокола и даже антенна. Эти протестированные решения отвечают требованиям FCC/ETSI.
Привлекательность предлагаемых на рынке модулей в том, что они обеспечивают заметную экономию расходов по сравнению с устройствами собственной разработки (в случае если компания-разработчик самостоятельно проектирует РЧ-модуль и занимается его тестированием). Исходя из того, что цена готовых модулей составляет 10–20 долл., а на долю соответствующего списка расходных материалов приходится 2/3 этой стоимости, разработка собственного решения экономически оправдана при объеме производства свыше 50 тыс. изделий.
Подводя итоги, следует заметить, что датчиковые беспроводные сети с исполнительными механизмами обеспечивают удобные и экономически выгодные способы реализации интеллектуального контроля. Выбор того или иного метода построения сети связан с большим числом компромиссов и функций. Гибкость сети, ее производительность и устойчивость к динамическим изменениям определяются сетевой архитектурой и протоколом.
Поскольку в сетях WSAN используется множество разных протоколов, выбор одного из них сопряжен с определенными компромиссами. При этом такие протоколы как ZigBee, WirelessHART и 6LoWPAN получили более широкое распространение, чем остальные. К счастью, производители поставляют не только решения, которые обеспечивают поддержку достаточно большого количества протоколов, имеют уже протестированные программные стеки для микроконтроллеров с малым энергопотреблением, РЧ-микросхемы, совместимые со многими стандартами, но и предлагают полностью интегрированные и предварительно сертифицированные модули для реализации беспроводных датчиковых сетей.