При разработке беспроводных сетей датчиков необходимо правильно выбрать размер сети, т. е. количество ее узлов, а также учесть такие параметры как среда передачи, тип источника питания, протоколы беспроводной передачи, конфигурация сети. В статье рассматриваются процедуры упрощенного подключения новых узлов к сетям WiFi и Bluetooth Mesh, а также примеры, наглядно иллюстрирующие процесс выбора оптимального размера сети.
Wi-Fi для IoT
Не всегда удается без труда подключить смартфон или узел IoT к сервисам сети Wi-Fi. Дело в том, что подключение ко всем доступным сетям сопряжено с увеличением энергопотребления, а также возможными угрозами безопасности. Особенно остро стоит вопрос при подключении IoT-устройств без пользовательского интерфейса. Стандарт IEEE 802.11aq решит эту задачу. Он предусматривает упрощенную процедуру обнаружения сервисов Wi-Fi и повышенную защиту МАС-адресов.
Рассмотрим принцип поиска требуемой сети без предварительного подключения к ней (pre-association discovery, PAD). Это главная особенность 802.11aq. Данная функция позволяет сети Wi-Fi перед подключением устройства сообщить о доступных ему сервисах. Устройства собирают эту информацию и в соответствии с ней производят выбор сети. Метод PAD не осуществляет подключение к сервису, а только обеспечивает информирование.
PAD предполагает прослушивание новыми (не подключенными к сети) устройствами широковещательной информации, предоставляемой точкой доступа (см. рис. 1). Объявления PAD содержат информацию о сервисах, поддерживаемых местной беспроводной сетью (WLAN), к которой подключена точка доступа. Устройство не должно высылать запрос для них.
Получив объявления, устройство передает информацию о поддерживаемых сервисах клиенту SIC (Service Information Client), который взаимодействует с приложениями более высокого уровня. Они просматривают список сервисов и указывают требуемую сеть Wi-Fi.
Альтернативный метод PAD основан на передаче запроса о предоставляемых сервисах перед подключением устройства (см. рис. 2).
В данном случае устройство получает объявления только об интересующем его сервисе, причем в запросе указывается, какая именно информация требуется о данном сервисе. Таким образом, метод не только обладает большей функциональностью по сравнению с объявлениями без запроса, но и позволяет осуществлять более узкий поиск.
Устройство отправляет запрос сервиса SIC-клиенту. В запросе содержится некоторая информация о службе, например ключевое слово, которое затем пересылается устройством точке доступа. Далее запрос перенаправляется в регистр информации о сервисе через сервер протокола ANQP (Access Network Query Protocol).
Регистр SIR создает ответное сообщение, содержащее всю детальную информацию о доступных сервисах, которые соответствуют запросу. Данные о недоступности сервиса также отображается в обратном сообщении.
Ответное сообщение посылается в точку доступа и затем передается запрашивающему устройству. Эти сообщение передаются даже устройствам, которые не подключены к сети Wi-Fi.
Конфигурация сервисов
За счет регистра SIR метод PAD обеспечивает предоставление услуг и настройку сервисов внутри сети Wi-Fi. Точка доступа может использовать SIR как прокси-сервер, либо доступные сервисы регистрируются в SIR. В этом случае PAD-устройства могут запросить их позднее. Таким образом, точка доступа может быстро ответить на запрос о сервисах (Service Discovery) без перегрузки сети WLAN.
Например, интеллектуальный динамик подключен к сети Wi-Fi в гостевом режиме для воспроизведения музыки с любого устройства. В зоне покрытия сети появляется новое устройство, которому требуется воспроизвести музыкальный файл. С помощью PAD оно корректно находит сеть Wi-Fi с данной функцией, и воспроизведение осуществляется без вмешательства пользователя.
Для распознания одного и того же устройства отслеживается его МАС-адрес, под которым оно регистрировалось в сети. Эта информация не защищена и может быть передана третьим лицам. Для предотвращения этой утечки
IEEE 802.11aq предусматривает защиту приватности узла перед подключением.
Итак, преимуществами IEEE 802.11aq являются:
- подключение устройства к сети, обеспечивающей требуемый сервис;
- более высокое качество обслуживания пользователя;
- наличие дополнительных сервисов;
- более высокая степень защиты конфиденциальности с помощью случайных МАС-адресов.
Подключение к сети BLE Mesh
Рассмотрим подключение устройств к сети Bluetooth Low Energy (BLE) Mesh. Схема, по которой передаются сообщения между узлами в сети BLE Mesh, показана на рисунке 3. Сначала широковещательно рассылается объявление (BLE broadcast) узлам, расположенным в зоне досягаемости. Узлы, принявшие сообщение, пересылают его дальше. Процедура повторяется до тех пор, пока не достигается искомый узел. При этом сообщения могут передаваться только до тех пор, пока не закончится их «время жизни» (time-to-live, TTL), т. е. пока не исчерпается количество скачков, которые они могут сделать. В каждом узле–реле это значение уменьшается на единицу. Таким образом, сообщения не циркулируют бесконечно.
Кроме того, каждый узел имеет кэш сообщений, в котором хранятся недавние сообщения. Если одно и то же сообщение принимается дважды, оно не транслируется дальше.
Сети BLE Mesh на основе реле являются намного более надежными, чем сети на повторителях, поскольку продолжают функционировать даже в случае отказа промежуточных узлов.
Периодически все узлы высылают сообщение о своей активности, чтобы узнать, не превышено ли количество скачков и требуется ли корректировать значение TTL.
В сети BLE Mesh все узлы могут принимать и высылать сообщения, однако имеется несколько узлов с особыми функциями:
- реле – может перенаправлять широковещательные сообщения;
- маломощный узел – устройство, которое большую часть времени проводит в режиме энергосбережения с выключенным приемопередатчиком;
- друг – работает в паре с маломощным узлом, хранит и отсылает сообщения, когда приходит запрос от маломощного узла;
- прокси–устройство, которое использует наследственные стандарты Bluetooth для взаимодействия с узлами BLE Mesh. Оно может передавать сообщения иным узлам через другие соединения или объявления, если функция реле активирована.
Например, смартфоны с большой степенью вероятности будут использовать прокси–узлы для передачи сообщений, поскольку телефон не работает в режиме реле.
В этом режиме приемопередатчик включен постоянно, что невозможно в случае телефона. В то же время, стандарт BLE Mesh допускает работу любого узла в нескольких режимах.
Сообщения передаются по модели «публикация – подписка» (см. рис. 4). Под публикацией понимается отправка сообщения одним узлом группе, подпиской называется настройка, разрешающая узлу получать сообщения. Сообщения защищены сетевым ключом, чтобы не возникали ошибки.
Регистрация
Когда устройство подключается к BLE Mesh впервые, оно не регистрируется, т. е. ему не присваивается индивидуальный адрес, и не передается конфигурационная информация (список публикаций, лист подписок, сетевой ключ, ключи приложений и т. д.). Устройства, как правило, подключаются через смартфоны.
При подключении нового узла обновляются записи в постоянной базе конфигурационных данных устройства. Сведения обо всех узлах в сети известны только провизору, индивидуальные узлы не имеют доступа к ним. Для функционирования сети провизоры не требуются – они необходимы только для добавления или отключения узлов. Таким образом, в сети нет центрального устройства, отказ которого приводит к потере функциональности сети.
Рассмотрим пример. Пусть к сети в офисе подключены 50 ламп и 20 выключателей. Только провизор имеет список адресов всех 70 устройств. Он может создать групповые адреса для каждого участка офиса, устанавливать адреса публикации в выключателях и адреса подписки для ламп. Когда меняется состояние выключателя (с «выключить» на «включить»), он публикует групповой адрес, и лампочки, подписанные приложением, включаются.
Модули BLE имеют встроенный скриптовый язык на основе событий под названием smartBASIC, что существенно упрощает подключение устройств.
Когда входящее сообщение полностью декодировано, запускается предустановленное событие, и скрипт приложения получает определенную пользователем модель поведения для этого события. Еще одним важным критерием является правильный выбор размера сети. Для наглядности рассмотрим два примера: розничный магазин и коммерческий офис.
Розничный магазин
Показания датчиков могут использоваться для анализа и стимулирования потребительского спроса. В данном случае рекомендуется использовать новые технологии Bluetooth, среди которых – отслеживание угла прихода (angle of arrival, AoA) и угла выхода (angle of departure, AoD), а также индикация силы принятого сигнала (received signal strength indicator, RSSI).
Эти функции наряду с методикой определения расстояния позволяют установить положение смартфона пользователя или устройства, встроенного в покупательскую корзину (см. рис. 5). Данная информация необходима для определения положения пользователя и, в конечном счете, для нахождения мест, где пользователи проводят больше времени. По этим данным с помощью технологий распознавания лиц или идентификации смартфона ритейлеры составляют профиль каждого покупателя и определяют, какие товары он купит с большей вероятностью. Для стимулирования спроса магазин может предложить скидку или поощрительные программы.
Оптимальная сеть датчиков также предоставляет управляющим магазином данные о покупательских предпочтениях внутри группы товаров. Например, может быть выявлено, что некоторые покупатели тратят много времени на выбор зубной пасты, но быстро выбирают шампуни. В соответствии с этими данными товары на полках будут расположены так, чтобы покупатели быстрее находили требуемые товары.
Офис
Превращение офисного здания в интеллектуальную сеть датчиков позволит сократить эксплуатационные расходы и затраты на обслуживание. Одной из наиболее важных статей расходов являются затраты на системы климат-контроля. Внедрение датчиков позволяет сократить расходы на 15%, а сама система окупается через несколько лет.
Вторым важным дополнением является сенсорная сеть, предсказывающая скорый выход из строя или аварию, в частности протечки, наличие дыма или огня. Они оперативно реагируют на выявленную угрозу, позволяя сэкономить значительные средства и даже сохранить жизни. К тому же, они позволяют снизить страховые выплаты.
При установке сенсорной сети необходимо учесть два важных аспекта: физическую среду передачи и обработку показаний датчиков.
Среда передачи
Каждая сеть датчиков конфигурируется в зависимости от требований приложения и типа физической среды. Например, некоторые сети применяются для розничной продажи, где покрытие должно быть равномерным, другие – в офисах, где размер помещений может значительно меняться. Время работы сети также различно: часть дня, конкретные дни либо непрерывная работа.
На промышленных предприятиях имеется сильный электромагнитный шум от электродвигателей, что является одним из наиболее важных препятствий для применения датчиков, поскольку не все сенсорные устройства пригодны для таких условий эксплуатации. Кроме того, становится невозможно использовать некоторые типы передачи данных. Вернемся к примеру с торговой площадкой. Уменьшить энергопотребление, стоимость систем освещения, отопления и вентиляции можно двумя способами: сократить использование этих систем в местах, где они требуются эпизодически, либо использовать энергосберегающие режимы.
Для создания оптимальной сети следует выбрать тип питания: сетевое (или через Ethernet) либо автономное от батареи. Датчики с питанием от батареи просты в установке, однако менять батареи приходится каждые несколько лет, что увеличивает расходы. Прокладывание линий питания требует высоких исходных капиталовложений. При этом системы низковольтного питания, например питания по сети Ethernet (РоЕ), могут оказаться более экономичными, чем питание от сети 110 или 220 В. Еще один бюджетный вариант – использование низковольтного светодиодного освещения вдоль сети датчиков для упрощения доступа.
Вторым важным вопросом является среда передачи – проводная или беспроводная. Решение зависит от нескольких факторов. Беспроводная передача менее затратна, однако исходные затраты на разработку могут быть значительными. Возможно, будет выгоднее выбрать кабель CAT5 для подачи питания и передачи данных. При использовании этого кабеля скорость передачи данных может оказаться ниже типовой 1 Гбит/с. Длина кабеля в этих случаях превышает 100 м. Однако для некоторых зданий прокладка кабеля представляет собой сложную задачу, например из-за подвесных потолков. Беспроводная связь упростит решение подобной задачи.
Далее осуществляется выбор протокола и среды передачи (тип кабеля для проводной сети). Наиболее доступным и известным беспроводным стандартом является Wi-Fi. Однако он поддерживает только сети с ограниченным количеством узлов. Кроме того, точки доступа существенно увеличивают энергопотребление. Альтернативным стандартом является ZigBee, который позволяет уменьшить потребление. Его недостатком является специфичность установки, для реализации которой необходимы специальные навыки. Таким образом, универсального решения нет – в каждом конкретном случае требуется индивидуальный подход (см. рис. 6).
Обработка показаний
В зависимости от требований к сети решение о включении или выключении системы отопления и вентиляции может применяться автономно или удаленно. Первый вариант предполагает наличие специализированного контроллера. Для удаленной обработки данные отсылаются в облако. Преимуществом такого подхода является возможность удаленного управления.
Выбор между этими двумя подходами зависит от ряда факторов – от сложности вычислений, объема обрабатываемых данных. Кроме того, может потребоваться последующая обработка данных или удаленный мониторинг.
Для бытовых систем отопления и вентиляции, использующихся, например, в умном доме, наиболее рациональным подходом станет локальная обработка и управление из-за ограниченного объема данных. Однако для сети большого здания с большим количеством помещений, вероятно, потребуется шлюз для передачи данных в облако.
Очевидно, что чем больше узлов, тем больше объем показаний и сложнее их обработка. Подключение нескольких узлов в лаборатории к контроллеру или облаку является сравнительно простой задачей, однако сложность разработки реальной сети возрастает экспоненциально.
Приложение, которое осуществляет сбор данных локально, или данные в облаке должны быть распознаны и иметь временной отсчет, чтобы построить точную модель здания. Для офиса это слишком дорого из-за большого количества узлов. Хотя каждый узел в отдельности обходится очень дешево, конечная стоимость обработки может оказаться слишком высокой. Опытные разработчики добавляют только самые необходимые функции. При этом сокращается объем данных и потребление. Топология сети может варьироваться. Одним из наиболее распространенных решений является гибридная структура, когда ячеистая сеть комбинируется с шиной или «деревом».
Для офиса целесообразно применять маленькие ячеистые сети, связь между которыми осуществляется через концентратор или точки доступа (см. рис. 7). Точка доступа может быть частью соседней локальной сети. Таким образом, сеть делится на сегменты. При использовании гибридной сети облако получает организованные данные, что существенно упрощает их обработку и расширение сети.
Выводы
Мы рассмотрели особенности упрощенного подключения узлов к сети. Процедуры ее поиска без предварительного подключения к ним позволяют уменьшить нагрузку на сеть, снизить энергопотребление и повысить защищенность данных.
Альтернативой Wi-Fi является сеть BLE Mesh, которая позволяет бесшовно и быстро подключать устройства IoT.
Тем не менее, универсального решения для сетей датчиков нет; для каждого конкретного приложения следует подбирать оптимальную конфигурацию, учитывая такие параметры как стоимость и сложность установки, среда передачи, тип питания узлов, метод обработки данных (локально или в облаке), тип передачи данных и т. д.
Правильно выбранная конфигурация обеспечивает оптимальное соотношение между характеристиками и стоимостью.
Статья опубликована в журнале «Электронные компоненты» №11’19