Haló, jste tam? Výpadek v komunikaci se u klíčových systémů IoT netoleruje

Všichni to dobře známe. Voláme z mobilního telefonu a za chvíli se hovor přeruší a my tak zůstaneme bez spojení. Tohle určitě není nic příjemného. Možná jste právě byli uprostřed vážného rozhovoru nebo, a to je mnohem horší, probíhalo dokonce tísňové volání na policii či hasiče.

Výše zmíněné potíže, které již někdy potkaly každého z nás, se však nevyhýbají ani produktům navrhovaným pro internet věcí. Ať již tedy navrhujete čidlo pro detekci netěsností v systému domácí automatizace, bezdrátový zabezpečovací systém nebo kontrolér dohlížející na nějaký průmyslový proces, hrozící představa výpadku v komunikaci snižuje spolehlivost dané aplikace a dokáže negativně ovlivnit i vnímání systému ze strany uživatele. Naštěstí dnes máme k dispozici bezdrátová řešení pro IoT navržená s ohledem na maximální odolnost, spolehlivost a také dlouhou výdrž. Nabízí robustní síťovou technologii, nízkou vlastní spotřebu nebo kmitočty v pásmu pod 1 GHz a vhodně tak bojují s výpadky v komunikaci.

IEEE 802.15.4 a možnosti „samoléčby“

Pravděpodobně víte o bezdrátových technologiích, jako jsou Zigbee, Wireless- HART, 6LoWPAN a MiWi™. Všechny vychází ze standardu IEEE® 802.15.4. Klíčovou vlastností tohoto standardu je schopnost vytvořit sítě mesh, které obsahují uzly s odlišným postavením. Nacházíme zde proto prvky RFD (Reduced Function Devices), FFD (Full Function Devices) a také koordinátory. RFD a FFD jsou navzájem propojené, zatímco k výslednému spoji bude využito služeb koordinátora či brány.

Sítě typu mesh mají několik důležitých rysů pro zajištění spolehlivé komunikace, zejména pokud jde o zvýšení dosahu, přesměrování a stálost. Dosažitelná vzdálenost samostatného vysílače bude v sítích mesh navýšena díky schopnosti komunikace mezi jednotlivými uzly. Vyplývá to i z obr. 1, kde má každý z uzlů pracovní záběr 10 metrů, nicméně s takovým přístupem dokážeme prodloužit dosah sítě až na 30 metrů. Vzhledem k tomu, že máme uzly „na doslech“ a sítě jsou udržovány v chodu, zvyšuje se i spolehlivost komunikace.

Druhá charakteristická vlastnost sítí mesh zahrnuje přesměrování či možnosti překlenutí. Mnohé z nás již při řízení automobilu potkala nečekaná událost. Kvůli opravám byl snad uzavřen sjezd z dálnice nebo vás neznámá ulice navedla špatným směrem. V takových situacích se zpravidla spolehneme na mapu ve svém mobilním telefonu, která obvykle nabízí alternativní trasu. A přesně tak funguje i přesměrování v sítích mesh (802.15.4).

V bezdrátových sítích se může objevit nejeden problém. Hrozí vybitá baterie, dočasné interference způsobené pohybem lidí, přetrvávající interference z titulu změny prostředí, do sítě jsou přidávány nové uzly apod. Pokud se již takové poruchy vyskytnou, sítě mesh založené na standardu 802.15.4 nabídnou řešení. Spojení mezi uzlem a koordinátorem tak lze navést jinudy, prostřednictvím odlišného zařízení FFD, které zajistí optimálnější trasu. Zmíněná vlastnost výrazně zvyšuje odolnost sítě, a tudíž i spolehlivost při komunikaci.

Třetí prospěch plynoucí z uzlů v sítích mesh (802.15.4) souvisí se stálostí. Na rozdíl od síťových technologií typu ethernet nebo Wi-Fi®, kdy nekomunikativní uzly v rámci sítě „zastarávají“, budou sítě řešené dle 802.15.4 nabízet nepřetržité „členství“ a umožňovat přitom uzlům přerušit komunikaci i na delší období. Daný prvek může týden spát, poté se probudí, okamžitě připojí k síti a vysílá data. Zabere to pouhých 30 milisekund. Z hlediska spotřeby energie se jedná o velkou výhodu. Funkce související s vysíláním a nasloucháním totiž v zařízeních internetu věcí spotřebují většinu energie, takže zmíněná vlastnost výraznou měrou snižuje příslušné podíly.

Spolehlivost a otázka kmitočtu

Mezi nosnou frekvencí vf signálu a její schopností pronikat pevnými předměty v bezprostředním okolí existuje inverzní vztah.

V současné době se nejčastěji potkáváme s kmitočtem 2,4 GHz. V našich domovech jej využíváme pro Wi-Fi, rozhraní Bluetooth® a také v mikrovlnných troubách. Zmíněné frekvenční pásmo je známé svými relativně vysokými přenosovými rychlostmi, nicméně kvůli docela špatné prostupnosti 2,4GHz signálu oproti nižším kmitočtovým pásmům v domácnostech pravděpodobně rychle narazí na překážky a zkomplikuje tak pokrytí.

Bezlicenční pásma 800/900 MHz však s nižšími přenosovými rychlostmi nabízí též lepší prostupnost, budeme-li uvažovat prostředí s pevnými předměty (stěny, stromy, nábytek, dveře). Při realizaci sítí, které budou dobře fungovat i v náročných nebo jinak stísněných podmínkách, proto frekvence pod 1 GHz nahrávají lepším výsledkům.

Působivé propojení kmitočtů v pásmu pod 1 GHz spolu s technologií sítí typu mesh ilustruje obr. 2.

Fajn, už vás je slyšet

Díky kombinaci skvělého prostupu signálů v pásmu pod 1 GHz společně se sítěmi typu mesh dle 802.15.4 lze komunikovat „zřetelně a nahlas“. Signál je ke koordinačnímu prvku směrován tou nejlepší možnou cestou, proniká překážkami a zotavuje se v reakci na změny okolního prostředí. Zároveň je při relaci udržován potřebný výkon. To vše pak umožňuje vznik robustní a spolehlivé komunikační sítě s předpoklady k dlouhodobé činnosti.

Nasazujeme robustní řešení pro IoT

V současné době se většina vf spojů dle 802.15.4 odvíjí od pásma 2,4 GHz a nabízí pouze několik výhod, které jsme v textu zmiňovali výše. Produkty, jako je např. rodina mikrokontrolérů (MCU) ATSAMR30 od společnosti Microchip, nicméně pamatují na vf část v souladu s IEEE 802.15.4 a právě pro kmitočtová pásma do 1 GHz.

Jedná se o malý modul, který lze do aplikací jednoduše implementovat a vyhovět přitom požadavkům platným pro Severní Ameriku, Evropu nebo Čínu. Díky 256kB paměti Flash je u prvků ATSAMR30 možné bez problémů počítat se stacky mesh typu MiWi, zatímco máme stále dostatek prostoru pro samotný kód související s aplikacemi z oblasti zabezpečovací techniky, automatizace domácností, osvětlení či měření.

Zůstaneme v kontaktu?

Je opravdu nezbytné komunikovat zřetelně a spolehlivě, zvláště když předávané informace mají potenciál ovlivnit naše životy. Využijeme-li sítí typu mesh dle 802.15.4 a kmitočtů v pásmu pod 1 GHz, zůstanou naše uzly v rámci systému internetu věcí spolehlivě připojené. Sítě provozované do 1 GHz, jako např. ty, které máme k dispozici díky rodině mikrokontrolérů ATSAMR30, pomohou zajistit, aby informace spolehlivě dorazila navzdory měnícím se okolním podmínkám. Zároveň lze také počítat s dlouhou výdrží bateriového zdroje.

Pro více informací o rodině mikrokontrolérů ATSAMR30 od společnosti Microchip navštivte webové stránky www.microchip.com.