УДК 004.624

IIOT: СЕТИ, ПЕРСПЕКТИВЫ, РАЗВИТИЕ

№14,

Технические науки

Васильев Иван Викторович
Концов Артём Валерьевич
Кудрявцев Денис Николаевич

Научный руководитель: Зоркальцев А.А., старший преподаватель кафедры УИ

Ключевые слова: ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ; БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ; ППВМ; РАЗВИТИЕ IIOT; INDUSTRIAL INTERNET OF THINGS; WIRELESS DATA TRANSMISSION TECHNOLOGIES; FPGA; IIOT DEVELOPMENT.

Аннотация: В статье рассматриваются беспроводные технологии передачи данных в индустриальном интернете вещей, производится их деление по группам, обсуждаются плюсы и минусы различных топологий, на основание этой информации предлагается решение, способствующее развитию индустриального интернета вещей.

В последнее время тема промышленного интернета вещей находится у многих на слуху, понятны её сильные стороны и преимущества, которые можно получить при внедрении технологии на производство, но одним из основных параметров, определяющих какие именно плюсы системы будут нам доступны – это использование той или иной технологии передачи данных.

В процессе развития интернета вещей люди стали понимать, что стандартные способы передачи данных частично или совсем не подходят для индустриального интернета вещей. Множество по-своему хороших стандартов, таких как wi-fi (все кроме 802.11 аh), Wimax, Bluetooth, ZigBee[1][2] и т.д. прекрасно справляются с возложенными на них обязанностями, но совершенно не годятся там, где нужна большая дальность действия, малое количество расходуемой энергии, передача небольшого количества данных, ведь именно эти параметры основные в промышленном интернете вещей.

Разработкой новых стандартов беспроводной передачи данных занялись различные компании, например, Zensys и Alliance, появились стартапы, всё это привело к достаточно большому числу IIoT (Industrial Internet of Things) устройств, которые в данный момент можно разделить на две группы. К первой группе относятся устройства, с дальностью связи до 1 км, так называемые устройства ближнего радиуса действия, ко второй группе устройства дальнего радиуса действия, от 1 до 50 км, таблица 1[3].

Таблица 1

Технологии беспроводной передачи данных IIoT

Устройства ближнего радиуса действия

Устройства дальнего радиуса действия

< 1 км

1 – 50 км

Z-Wave

LoRa

ZigBee

Sigfox

6LoWPAN

“Стриж”

Thread

NB-IoT

Устройства ближнего радиуса действия зародились на рубеже 90-х годов, предполагаемое место использование “Умный дом” и “Умный офис”, данным сетям характерна топология ячеистой сети рисунок 1. Зона покрытия ячеистой сети зависит от количества устройств в сети, как правило это сотни штук, критической расстояние в этой сети – это расстояние между двумя точками. Диапазоны 868 МГц (EU), 915МГц (US), 2450 МГц.


Рисунок 1 – Ячеистая топология

Ячеистая сеть имеет ряд важных преимуществ. Во-первых, данная сеть способна самоконфигурироваться и самовостанавливаться, при добавлении точки доступа, она автоматически обнаруживает другие точки доступа и «выясняет» свою роль в сети. Это исключает необходимость ручного администрирования сети и играет важную роль для оперативного развертывания оборудования. Во-вторых, если точка доступа отключается или какой-либо сегмент сети оказывается перегруженным, сеть автоматически переопределяет маршруты передачи данных между точками, что позволяет предотвратить сбои коммуникаций [4]. Поэтому можно точно сказать, сети с ячеистой топологией весьма надежны, и их использование в производствах удобно и практично, так как выход из строя сети, даже на небольшой промежуток времени, может привести к критическим ситуациям.

К сожалению, ячеистые сети имеют и свои минусы, некоторые из них могут быть особенно заметны, когда речь заходит о промышленном интернете вещей. Каждый узел может иметь несколько ролей: точка доступа, транзитное устройство или сочетать обе роли. Способность не только передавать “свою” информацию, но и обрабатывать “чужую” предъявляет более высокие требования к вычислительным способностям узла, что в свою очередь повышает его стоимость. Если узел не только собирает информацию и передает её подписчикам, но и служит транзитным устройством, значит он не может полностью уйти в сон, что в свою очередь несет дополнительные расходы электроэнергии, очень значительно влияющие в том случае, если используется батарея питания.

Сети, состоящие из устройств дальнего радиуса, могут использовать ячеистую структуру, но все же топологии типа “Звезда” рисунок 2, сотовые и иногда радиорелейные подходят для них больше.


Рисунок 2 – Топология типа “Звезда”

По сравнению с ячеистой, топология типа “Звезда” менее надежна, обусловлено это единственным коммутатором, который не только собирает информацию и отправляет её в облачное хранилище, но и уже обработанную информацию должен передавать обратно тем узлам, которым эта информация необходима. В том случае, если коммутатор выйдет из строя, вся система будет не дееспособно, максимум, что будет возможно – это сбор и хранения информации непосредственно на самих узлах, как правило объем доступной памяти не так уж велик, биты, а в редких случаях килобиты информации могут быть сохранены. Ни о какой передачи информации и динамическом регулировании не может идти речи.

Если данная проблема не является критической, при том, что выход из строя коммутатора достаточно редкий случай, особенно если проводится должное обслуживание, то использование топологии “звезда” несет в себе большие плюсы. Меньшая стоимость узлов, легкий поиск и устранение неисправностей и обрывов в сети, простое добавление новых узлов в сеть и один из главных плюсов, это энергопотребление, в случае работы от батарейки, датчики могут работать более 10 лет.

Такое большое разнообразие сетей с одной стороны развивает интернет вещей и позволяет, выбрав наиболее подходящую, внедрить её в своё производство, но с другой стороны, разнообразие — это проблема. Каждый разработчик “тянет одеяло на себя” и выдвигает свои предложения для решения различных проблем, при отсутствие общих стандартов для сетей промышленного интернета вещей, разнообразие ведет к хаосу. К примеру, до принятия стандарта mini usb большинством фирм, каждый разработчик предлагал свой способ зарядки телефона, у некоторых из них интерфейс изменялся по мере развития, это приводило к дискомфорту и некоторым проблемам обычных пользователей, зачастую было необходимо либо заряжать телефон только дома, либо брать зарядку с собой, а в случае её поломки пользователь должен был изрядно потрудиться, чтобы найти такую же. Принятие mini usb, а затем и micro usb в 2011 году стандартом для зарядки смартфонов, телефонов, планшетов и прочей портативной техники положительно повлияло как на разработчиков, так и на пользователей [5]. Одним больше не нужно тратить деньги на разработку нового интерфейса, а вторым искать подходящий разъём и покупать его втридорога, ведь теперь все делают одинаковые зарядные устройства, рынок наполняется, цена падает.

В этом плане интернет вещей ничем не отличается от рынка телефонов, должны появляться либо стандарты, либо устройства, которые могут объединить оборудование различных производителей. Когда это случится, развитие интернета вещей и промышленного интернета вещей, в частности, будет происходить ещё более быстрыми темпами, отсутствие проблем коммутации, сопряжение позволит разработчикам потратить время и силы на более важные проблемы. Одним из таких устройств может стать шлюз, разработанный на базе промышленной интегральной схемы и использующий радио частотный модуль. Такая связка может позволить использовать несколько абсолютно различных беспроводных технологий передачи данных на своём производстве, и использовать преимущества каждой из них при колоссальной экономии ресурсов. Офисные здания могут использовать ячеистую топологию, шлюз в ней будет полноценным участником, помимо транзита данных, он сможет отправлять все полученные данные на облако, получать обработанную информацию обратно и делиться ей, при этом датчики на производственных участках, могут использовать топологию типа “звезда”, и устанавливать связь лишь в строго определенный временной участок, для этого шлюз должен перестроиться на другую частоту, обменяться данными и вернуться в первоначальное состояние. С тем учетом, что обмен данными занимает микросекунды, такая динамическая конфигурация имеет право на существования и должна быть опробована. В данный момент, для исследования возможности создания подобного шлюза, а также для поиска возможных проблем была приобретена плата ADALM-PLUTO, состоящая из чипа Zynq-7000 и высокочастотного трансивера AD9361, будущее исследование поможет понять, нужна ли подобная технология в промышленном интернете вещей.

Список литературы

  1. Беспроводные технологии / Стандарт WiMAX: техническое описание, варианты реализации и специфика применения — URL: http://wireless-e.ru/articles/wifi/2006_3_14.php (Дата обращения 17.08.2018 г.)
  2. Беспроводные сети / Какие бывают беспроводные сети — URL: http://bezprovodoff.com/seti/informaciya/kakie-byvayut-besprovodnye-seti.html (Дата обращения 17.08.2018 г.)
  3. Youtube / Сети передачи данных в Интернете вещей — URL: https://www.youtube.com/watch?v=jFWwMqcKe_4&feature=youtu.be (Дата обращения 17.07.2018 г.)
  4. CITFORUM / Ячеистые сети — URL: http://citforum.ru/nets/wireless/mesh/ (Дата обращения 19.08.2018 г.)
  5. Mobi – city / Виды USB разъемов – основные отличия и особенности — URL: http://www.mobi-city.ru/articlereview/usb_type (Дата обращения 21.08.2018 г.)