Беспроводные сенсорные сети XXI в.

Что представляет собой современная беспроводная сенсорная сеть? По словам Закалюжного А.А., беспроводная сенсорная сеть 21-го века представляет собой самоорганизующуюся сеть множества датчиков и устройств, объединенных между собой посредством радиоканала [Закалюжный, 2018, с. 3].

Если первая датчиковая сеть ( SOSUS ) имела топологию «звезда», то современные беспроводные сети поддерживают не только топологию типа «звезда», но ячеистую топологию. Если для сетей 1980 годов имела развитие ранее упомянутая и единственная в своём роде операционная система Accent , то с современными системами можно взаимодействовать с одной из нескольких операционных систем на выбор, например, через Contitki , TinyOS , EmberZNet PRO и др. В основном современные сети полностью удовлетворяют концепции 1980-х годов.

Работа большой части беспроводных сенсорных сетей в настоящее время базируется на стандарте, разработанном в далёком 2001 году ( IEEE 802.15.4), в частности, на спецификации сетевых протоколов верхнего уровня, разработанной в 2003 году – ZigBee . Разумеется, IEEE 802.15.4 не единственный стандарт, а ZigBee не единственная технология, на которых базируются современные беспроводные сенсорные сети.

Далее в статье будут рассмотрены наиболее интересные с точки зрения функциональных характеристик стандарты и основанные на них технологии организации беспроводных сенсорных сетей ( ZigBee , Z - Wave , Thread , BLE или HaLow ). Этот обзор позволит более наглядно ознакомиться с возможностями современных беспроводных сенсорных сетей, а также выбрать наиболее универсальную и эффективную технологию организации сенсорной сети на производстве или в быту

Технология ZigBee

Начнем сравнительный анализ с сетей, основанных на стандарте IEEE 802.15.4. Такие сети реализуются посредством таких технологий, как ZigBee , Z - Wave или Thread .

Сети, построенные по технологии ZigBee имеют следующую архитектуру: координатор (отвечает за сопряжение с управляющим компьютером), маршрутизатор (отвечает за самовосстановление сети, прокладку маршрутов, увеличение дальности сети) и оконечное устройство (осуществляет фиксацию данных и их передачу до координатора). К выгодным отличительным характеристикам сетей на основе технологии ZigBee можно отнести то, что:

• 1.    Пакеты данных передаваемые между узлами сенсорной сети могут иметь значительно меньший размер по сравнению с пакетами, которые передаются по IP в сетях Thread . Это дает сетям на основе технологии ZigBee меньшую задержку и большую энергоэффективность.

• 2.    Сети на основе технологии могут включать большое количество устройств, т.е. до 65536 на один координатор [Алексеев, 2017, с. 45].

Технология Z-Wave

В сеть, построенную по технологии Z -Wave входят следующие узлы: портативный контроллер (т.е. пульт управления, хранит в памяти данные о расположении всех устройств сети и способен отдавать команды), статический контроллер (например, исполнительное устройство или контроллер ПК; во многом аналогичен портативному контроллеру), дочернее устройство (т.е. датчик, отвечающий на пришедший к нему запрос), дочернее маршрутизирующее устройство (например, датчик или исполнительное устройство; хранит в памяти до 4 маршрутов для 5 узлов самостоятельно инициируют отправку данных после чего впадают в спящее состояние), продвинутое дочернее маршрутизирующее устройство (аналогичны предыдущим, но хранят в памяти маршруты ко всем узлам сети) [Пол-торак, 2020]. Сети на основе технологии Z - Wave , представленной компанией Zensys в 2003 году, обладают следующим набором выгодных характеристик:

• 1.    Защищенность от радио помех (технология работает в диапазоне 869 МГц), которые существуют на популярном радио диапазоне 2,4 ГГц. Это могут быть помехи, создаваемые микроволновыми печами, устройствами, использующими Wi-Fi и Bluetooth технологии.

• 2.    Способность отправлять команды между соседними узлами сети, минуя контроллер, благодаря функции ассоциации. Это дает прибавку в скорости и автономность работы сети.

Технология BLE

Кроме технологии ZigBee и Thread , отдельного внимания заслуживает технология Bluetooth , основанная на стандарте IEEE 802.15.1. Первая версия технологии под названием Bluetooth Low Energy была представлена в 2010 году. Сейчас на рынок вышел стек Bluetooth Mesh , который является надстройкой над Bluetooth Low Energy и включает в свою структуру такие формальные узлы как: поставщик, малошумящий, дружественный и прокси. Мы назвали их формальными, потому как каждый узел внутри Bluetooth Mesh сети при соответствующей настройке может принять на себя функции, соответствующие любому из четырех перечисленных типов. Так, например, если настроить узел как поставщик ( Provisioner Node ), что он будет регистрировать новые узлы в сети (назначать адрес, выдавать ключи шифрования сети и т.д.). Если настроить узел как малошумящий ( Low Power Node ), то он перейдет в режим ожидания, т.е. будет принимать сообщения и исполнять команды по расписанию. Если «сказать» узлу, что он отныне является дружественным ( Friend node ), он вступит в связь с определенным малошумящим узлом и станет хранить сообщения, адресованные малошумящему узлу до востребования. Если назначить узлу статус прокси-узла ( Proxy Node ), то данный узел возьмет на себя функции по подключению к сети устройств, которые не поддерживают стек Bluetooth Mesh [Велисов, 2018, с. 9]. К отличительным особенностям технологии Bluetooth Mesh которой можно отнести:

• 1.    Огромную по меркам IoT скоростью передачи данных, которая достигает 2 мбит/с. Такая скорость позволяет снизить риск наложения пакетов (коллизии) в результате возникновения задержек при передаче данных между узлами сети, что особенно важно при работе на загруженном диапазоне частот 2,4 ГГц.

• 2.    Способность к выбору наиболее свободного канала внутри рабочего диапазона частот ( Bluetooth 5.0). Так, например, технология адаптивной смены частоты, позволяет узлу сети в ходе передачи данных автономно переключиться на любой из 40 доступных каналов. Это позволяет избежать помех, ведущих к задержкам, коллизиям и потере данных.

• 3.    Способность беспроводных устройств аккумулировать энергию, что позволяет тратить меньше энергии от батарей в режиме ожидания.

• 4.    Широкое внедрение в окружающие человека устройства такие как, ноутбуки, смартфоны и другие бытовые предметы. Например, технология BLE уже поддерживается на 97% устройств с операционной системой Android (версия ОС 4.3), а Bluetooth 5.0 поддерживается уже на 21.5% устройств с версией Android (версия ОС 8.0 Oreo ) [Намиот, 2020, с. 77].

Технология HaLow

Не стоит забывать про хорошо известную технологию Wi - Fi . Прошедшая модернизацию в лице стандарта 802.11 ah , представленного в 2016 году, технология Wi - Fi приблизилась к своим конкурентам по уровню энергопотребления. Так, к характеристикам обновленной технологии Wi - Fi можно отнести:

• 1.    Использование наименее загруженного диапазона частот 900 МГц, как и в случае с технологией Z - Wave , позволяет избежать большого числа помех от других приборов.

• 2.    Дальность передачи данных до 1000 метров при правильном подборе антенны.

Сравнительный анализ технологий БСС

Итак, мы перечислили основные преимущества пяти наиболее популярных технологий организации беспроводных сетей. Далее, в Таблице 1, мы рассмотрим важные отличия между данными технологиями.

Табл.1. Основные отличительные особенности популярных технологий организации беспроводных сенсорных сетей

Заключение

На основе данных из Таблицы 1 мы можем сделать предварительный вывод о том, что наиболее перспективными из рассмотренных технологий организации сенсорных сетей являются технология Thread и Bluetooth Mesh . Это видно по ряду ключевых характеристик: дальность передачи, скорость передачи, поддержка IP . У каждой технологии есть выдающиеся стороны и потому конечный выбор зависит от конкретной ситуации, которую решает разработчик.

Стоит заметить, что на данный момент существует аппаратное обеспечение, позволяющее работать сразу с тремя из представленных в обзоре технологий. Произошло это благодаря тому, что в конце 2018 года компания Nordic Semiconductor сертифицировала сразу три сети: ZigBee, Thread и Bluetooth Mesh . Так, например, отладочные платы nRF52840-DK умеют организовываться в сенсорную сеть по любой из трех технологий в зависимости от задачи, которая стоит перед разработчиком [ Bland , 2018].