Диверсификация IoT при помощи технологии Sub-1 GHz

Жанна Копли (Jeanna Copley)

По мере того как «Интернет вещей» (IoT) эволюционировал, одним из его наиболее примечательных аспектов было разнообразие. Начав с довольно скромного этапа подключения к Интернету бытовых приборов или счётчиков воды и электричества, IoT теперь отбрасывает гораздо больше тени, добираясь до розничных и промышленных рынков, таких как электронные ценники, логистика, поисково-спасательное оборудование, сельское хозяйство и другие новые области применения. Некоторые эксперты ожидают, что к 2020 году 50 миллиардов устройств станут частью мирового IoT.

Однако с каждым новым случаем использования IoT появляется новый уникальный набор технических рабочих характеристик. К счастью, технология беспроводной связи Sub-1 GHz удовлетворяет многим наиболее жёстким требованиям, в настоящее время бросающим вызов разработчикам систем IoT. Конечно, не какое-то одно преимущество технологии Sub-1 GHz делает её таким мощным решением для многих из этих применений, а, скорее, сочетание её существенных возможностей и их адаптируемости к конкретным потребностям применения. В этой статье мы рассмотрим четыре преимущества технологии Sub-1 GHz, в том числе дальнодействие, спектр, низкую мощность и гибкость программного обеспечения.

Дальнодействие приёмопередатчиков и беспроводных микроконтроллеров (МК) технологии Sub-1 GHz уже делает возможными новые типы применений IoT. Некоторые испытания показали, что передачи Sub-1 GHz имеют эффективный диапазон, превышающий 100 км. Кроме того, занимая частотные ISM-диапазоны (предназначенные для промышленной, научной и медицинской аппаратуры) в беспроводном спектре ниже 1 ГГц, связь по технологии Sub-1 GHz избегает значительно более перегруженного частотного диапазона 2,4 ГГц, где работают Wi-Fi®, Bluetooth® Smart, ZigBee® и другие протоколы беспроводной связи. В менее занятом частотном диапазоне сети IoT будут более надёжными и способными к масштабированию для охвата зон большей площади. Дополнительная эффективность от работы в неперегруженном частотном диапазоне, а также несколько других факторов также снижают потребляемую устройствами Sub-1 GHz мощность. Действительно, некоторые конечные узлы смогут работать до 10 лет на одной батарейке-таблетке. Другой критически важной характеристикой является гибкость и совместимость программного обеспечения беспроводной технологии Sub-1 GHz. Разработчики могут быстро отличить свои изделия с характеристиками, которые создают конкурентоспособное преимущество на рынке.

Тем не менее при окончательном анализе оказывается, что технология Sub-1 GHz превращается в одну из главных движущих сил, стоящих за IoT будущего, не только благодаря её уникальному набору характеристик, но и потому, что каждая характеристика подстраивается под уникальные требования каждого применения.

Беспроводная связь дальнего действия

Больший диапазон передачи сигналов беспроводных приёмопередатчиков и встроенных МК поставил Sub-1 GHz в особое положение по сравнению с альтернативными технологиями. Это может быть особенно критичным для сетей IoT, которые могут быть достаточно разнообразными, охватывая целые дома или многоэтажные офисные здания или даже весь город или регион.

Эффективный радиочастотный (РЧ) диапазон сети Sub-1 GHz будет определяться характером применения, которое задаёт скорость передачи данных и объем передаваемых по сети данных. При более низких скоростях данных дальность действия больше. В целом, наиболее современные приёмопередатчики конечных узлов сети Sub-1 GHz и встроенные МК вооружены критически важными характеристиками, которые позволяют выполнять операции дальнего действия. Например, недавно представленный усовершенствованный беспроводной МК может воспринимать передачу сигналов Sub-1 GHz при -110 дБм и скоростях передачи данных 50 кбит/с или, даже при меньшей скорости 0,625 кит/с, вплоть до -124 дБм. Помехи от других устройств беспроводной связи можно преодолеть с помощью 90 дБ блокировки, а уровни выходной мощности до +14 дБм гарантируют надёжную передачу сигналов для связи более дальнего действия.

Разнообразие сегодняшней технологии приёмопередатчиков Sub-1 GHz достигло точки, в которой специфические требования по дальности применения IoT можно удовлетворить при помощи определённого устройства. Например, узкополосные и ультраузкополосные приёмопередатчики Sub-1 GHz стали основной технологией в таких областях применения, как контроль расходомеров, полицейская радиосвязь, системы аварийной сигнализации и прочее, где скорость передачи данных может быть достаточно низкой, чтобы добиться более дальнего действия, и не требуется дополнительная интеллектуальность МК. В Европе стандарт беспроводной связи M-Bus (wM-Bus) для применений в области снятия показаний с измерительных приборов базируется на узкополосной технологии Sub-1 GHz.

Вдобавок к качествам дальности действия узкополосных и ультрау-зкополосных приёмопередатчиков Sub-1 GHz, некоторые усовершенствованные беспроводные МК Sub-1 GHz имеют встроенный режим работы дальнего действия, так что устройство конечного узла может воспользоваться более широкими возможностями обработки МК и при этом получить большую дальность действия.

Гибкость архитектуры сетей Sub-1 GHz также может влиять на дальность передачи сигналов. Сети Sub-1 GHz можно сконфигурировать в любую из нескольких архитектур в соответствии с требованиями областей применения по дальности действия (рисунок 1). Например, сравнительно ограниченной сети с центральной точкой управления, такой как сеть автоматизации жилого здания, можно придать звездообразную архитектуру, базирующуюся на wM-Bus или 6LoWPAN. Сетчатую архитектуру с множеством шлюзов можно использовать в качестве основы для более крупной сети, охватывающей заводскую территорию или сельскохозяйственное предприятие. Кроме того, ещё одной конфигурацией является двухточечная архитектура, которая может использоваться для передачи небольшого объёма данных, как, например, сообщение температуры или другого измерения датчика в центральный элемент управления.

 Примеры полностью беспроводных сетей

Рисунок 1. Примеры полностью беспроводных сетей

Узкополосная Sub-1 GHz

  • Ширина полосы пропускания 25 кГц.
  • Разнесение каналов 12,5 кГц
  • Ширина полосы пропускания канала 10 кГц.
  • Типовые применения: контроль счётчиков расхода, сети SIGFOX и беспроводных датчиков.

Менее перегруженный спектр

Сети Sub-1 GHz избегают неприятностей, присущих полосе пропускания 2,4 ГГц, возникающих в результате перегруженности. Большая часть современного наиболее распространённого беспроводного оборудования работает в полосе пропускания 2,4 ГГц, включая точки доступа сети Wi-Fi® и домашние беспроводные маршрутизаторы, ZigBee®, Bluetooth®, некоторые беспроводные телефоны, даже радионяни. Чрезмерный трафик в любой полосе пропускания радиочастотного спектра будет создавать проблемы для оборудования, работающего в этой полосе. Взаимные помехи и конфликт между множеством радиосигналов в полосе пропускания 2,4 ГГц могут разрушить информацию полезной нагрузки или заголовка в пакетах передачи данных, снижая пропускную способность запуском высокого уровня повторных передач или совсем лишая связи. Если беспроводная технология базируется на протоколе обнаружения конфликтов, как, например, Wi-Fi®, то слишком большое количество конфликтов сигналов, вызванных перегруженностью полосы пропускания, может препятствовать доступу к радиоканалам или испортить работу беспроводной связи в близлежащей зоне.

Добавление 50 млрд устройств IoT в полосу пропускания 2,4 ГГц к 2020 году только ещё ухудшит ситуацию (рисунок 2). Кроме того, основополагающий характер высокого процента трафика IoT в будущем будет совершенно другим, в отличие от большей части трафика с большим количеством данных в полосе пропускания 2,4 ГГц, где потоковое видео, телефонные разговоры, загрузки из Интернета и другие соединения с высоким приоритетом могут занимать каналы на длительные периоды времени.

 Перегруженная сеть 2,4 ГГц с множеством бытовых устройств

Рисунок 2. Перегруженная сеть 2,4 ГГц с множеством бытовых устройств

Значительное количество трафика IoT будет представлять собой короткие пакеты данных, передаваемые на замедленных скоростях для оптимизации дальности распространения сигналов. Поэтому имеет смысл выделить разным типам применений разные полосы пропускания в радиочастотном спектре.

Помимо этого, меньшая перегруженность сигналами позволяет сетям Sub-1 GHz более легко расширяться, быстро увеличивая число устройств, поддерживаемых в одной сети, и расширяясь, чтобы покрывать большие расстояния. При меньшей перегруженности в сетях Sub-1 GHz будет меньшая потеря данных, что является решающим фактором для ряда важных областей применения, подобных связи при чрезвычайных ситуациях или передаче обязывающей к действиям информации датчиков.

Сверхнизкая мощность

Сверхнизкое энергопотребление будет ещё одним обязательным требованием для многих устройств IoT. Действительно, только одно питание 50 млрд устройств IoT уже будет представлять большую проблему. К счастью, многие устройства конечных узлов сети Sub-1 GHz потребляют удивительно мало энергии. Многие устройства, наподобие узлов с датчиками или мониторов расходомеров, могут работать на одной батарейке-таблетке до 10 лет или даже дольше благодаря некоторой разновидности собирающей энергию системы, вроде солнечной панели. Низкая мощность особенно важна для установок в труднодоступных или недоступных местах, поскольку замена батарейки, например, в узле с датчиком может быть достаточно дорогостоящей и опасной для человека, выполняющего такую замену, или почти невозможной, если узел был установлен, например, на метеорологическом спутнике.

Кроме того, сверхнизкое энергопотребление конечных узлов сети Sub-1 GHz достигается без ущерба для дальности действия или выходной мощности сигнала. Например, недавно представленный беспроводной МК для Sub-1 GHz имеет пиковое энергопотребление только 5,5 мА при приёме и выдаёт 22,6 мА при передаче при +14 дБм.

Вдобавок это ядро микроконтроллера ARM® Cortex®-M3 потребляет всего 51 мкА мощности на мегагерц производительности обработки. Более того, это устройство было интегрировано с изощрёнными алгоритмами управления питанием, которые будут помещать части системы в режим сна, в котором потребляется всего 0,6 мкА мощности, сохраняя при этом содержимое памяти.

Гибкость программного обеспечения

Программная среда, окружающая организацию сетей Sub-1 GHz, особенно хорошо побуждает к креативным инновациям. Соответствие стандарту IEEE 802.15.4g дало разработчикам готовые к использованию решения, которые, в общем и целом, сразу же работают так, как ожидалось. Кроме того, открытые отраслевые стандарты всегда стимулируют развитие вспомогательной экосистемы инструментов и средств разработки. Для организации сетей Sub-1 GHz эти факторы ускорили развёртывание новых топологий беспроводного сетевого взаимодействия, таких как 6LoWPAN, wM-Bus и другие.

 Сложное управление питанием в некоторых беспроводных МК сети Sub-1 GHz

Рисунок 3. Сложное управление питанием в некоторых беспроводных МК сети Sub-1 GHz может отключать большую часть узла сдатчиком, чтобы батарейки-таблетки могли служить до 10 лет

Вновь представленные МК для беспроводной сети Sub-1 GHz являются в высокой степени программируемыми и щедро снабжены ресурсами, что ещё больше повышает гибкость программного обеспечения устройств конечных узлов (рисунок 4). В отличие от простых приёмопередатчиков беспроводные МК содержат процессорное ядро, такое как ядро ARM® Cortex®-M3 малой мощности, для обработки прикладных задач. Простота программирования этих беспроводных МК позволяет разработчикам устройств конечных узлов и изготовителям оборудования быстро встраивать различную функциональность в свою продукцию, такую функциональность, которая будет выделять их продукцию в конкурентных ситуациях.

 Беспроводной МК сверхнизкой мощности от TI

Рисунок 4. Беспроводной МК сверхнизкой мощности от TI

Наиболее совершенные из таких беспроводных МК вооружены полным набором ресурсов, которые упрощают разработку программного обеспечения.

Чрезвычайно адаптивный беспроводной МК SimpleLink™ Sub-1 GHz CC1310 содержит ядро ARM® Cortex®-M3, радио сверхнизкой мощности, периферийные устройства и встроенную подсистему контроллера датчика, которая экономит питание, выводя остальную часть устройства из режима сна, только когда это необходимо.

Включение операционной системы реального времени, драйверов, периферийных интерфейсов и, хотя бы в одном случае, контроллера датчика означает, что разработчики программного обеспечения могут сконцентрироваться на разработке инновационных функций и не беспокоиться о том, как им встроить в устройство основные устройства.

Кроме того, программная среда такого рода является также огромным преимуществом для поставщиков сетевого оборудования, которые хотят использовать своё собственное фирменное программное обеспечение. Инструменты программирования, платформы разработки, библиотеки интеллектуальной собственности и другие вспомогательные функции сократят время от замысла до внедрения на рынок новых патентованных систем.

Заключение

«Интернет вещей» (IoT) будущего станет увлекательным местом. Каждый день креативные разработчики генерируют идеи инновационных применений IoT, вызывая подспудное нарастание спроса на технологию беспроводной связи с новыми возможностями и наборами функций. И Sub-1 GHz отвечает. Приёмопередатчики и беспроводные МК Sub-1 GHz обеспечивают возможности, необходимые системам IoT следующего поколения, и, что важно, эти функциональные возможности можно адаптировать к единичным требованиям любого и каждого применения.