Componente fundamentale ale Internetului Lucrurilor – IoT

1 IUNIE 2014

Internetul este focalizat pentru a se schimba în următorii cinci ani, astfel ca sistemele să devină mai inteligente. Conform specialiștilor de rețea de la Cisco, 50 de miliarde de dispozitive sunt susceptibile de a fi conectate la Internet până în 2020, ajutând să susțină o piață de 14 trilioane USD. Sistemele care domină internetul astăzi precum PC-uri, laptop-uri, tablete și smartphone-uri, vor fi depășite de zeci de miliarde de dispozitive inteligente, cu conexiuni în rețea, care vor comunica date reciproc, cu scopul de a face viața mai eficientă.

Autor: Mark Zack, VP Global Semiconductors, Digi-Key

Ideea de Internet al lucrurilor (Internet of Things – IoT), datează de la sfârșitul anilor 1990, când cercetătorii au propus idei, cum ar fi inteligența ambientală, în care o pădure de senzori inteligenți ar monitoriza condițiile de mediu, alertând sisteme de control la schimbări. Prin adoptarea de modificări în răspuns, aceste sisteme de control pot îmbunătăți eficiența într-o gamă largă de sisteme, de la control industrial, la automatizarea casei și asistență medicală. De exemplu, un set de senzori inteligenți poziționați în jurul corpului, poate sesiza probleme de sănătate care alertează utilizatorul, prin intermediul telefonului său.

Figura 1: Compararea vitezelor de date ale sistemelor RF

În controlul industrial, o serie de senzori montați de-a lungul unei linii de producție poate detecta condiții care pot duce la probleme, cum ar fi schimbări bruște de tempe­ratură sau vibrații în exces care ar putea semnala o problemă într-un mașină unealtă sau un proces care decurge în afara limitelor sale.
Există trei componente fundamentale, care se combină pentru a forma un nod IoT: inteligenţă, detectare și co­mu­nicaţii fără fir. Conectivitatea wireless este vitală, deoarece va permite ca noduri de senzori să fie implementate rapid și ușor, fără obligația de a avea trasee cu cablurile de rețea pentru fiecare locație.
În scopul de a supraviețui pentru perioade lungi de timp la o singură încărcare a bateriei, un nod IoT trebuie să prezinte un consum redus de energie. De obicei, nodul va fi în stare latentă, de somn, pentru perioade lungi de timp, trezindu-se pentru perioade scurte de timp pentru a achiziționa date și apoi să ia o decizie dacă să trimită o alertă bazată pe schimbare sau de a trece înapoi la somn. Un număr mare de microcontrolere sunt concepute în jurul acestei cerințe de bază a nucleului de calcul, întrecându-se în moduri de somn cu consum de energie ultra-scăzut, combinate cu executarea de instrucțiuni de înaltă performanță pentru simplificarea procesării în timp ce dispozitivul este treaz.
O decizie cheie este tipul de arhitectură. Un număr tot mai mare de microcontrolere low-cost de la diverși furnizori, cum ar fi Atmel, Freescale, STMicroelectronics și Texas Instruments utilizează nuclee pe 32 de biți, bazate pe arhitecturi precum ARM, pentru a oferi performanțe ridicate la putere scăzută și acces la o gamă tot mai mare de software open-source ce permite aplicațiilor să fie construite rapid. Cu toate acestea, arhitecturi, precum AVR Atmel demonstrează că platforma de 8-biți oferă încă o mare putere, folosind periferice inteligente avansate pentru a colecta date de la interfețe cu senzori, oferind în acelaşi timp soluţii cost eficiente.
Există o serie de abordări posibile pentru introdu­ce­rea comunicaţiei low-power la un nod IoT, variind de la protocoale concepute în acest sens, precum Zigbee spre variante low-power de Bluetooth și Wi-Fi. Unele dintre aceste protocoale oferă compati­bilitate directă cu protocolul internet (IP). Altele, se bazează pe un gateway pentru a mapa pachetele IP și protocoalele mai flexibile utilizate de către nodurile de senzori IoT.

ZigBee este o specificație pentru rețea wireless low-power bazată pe standardul IEEE 802.15.4 (2003), standard care a fost dezvoltat de un grup de 16 de companii implicate în automatizări industriale și construcții. Un aspect inedit al Zigbee, în comparație cu multe alte protocoale de rețea, constă în utilizarea de rețele plasă. Acest lucru permite nodurilor IoT aflate la depărtare de un controler central să utilizeze alte noduri cuplate între ele pentru a efectua comunicații. Astfel se extinde domeniul de control al unui portal central, dar, de asemenea, crește robustețea deoarece o transmisie poate utiliza un număr de căi diferite prin rețea.
Inițial lansat de Nokia ca Wibree în anul 2006, Bluetooth Low-Energy (BLE) sau Bluetooth Smart oferă o gamă similară ca Bluetooth clasic, dar cu un consum de energie redus. În locul canalelor de 1MHz folosite de protocolul Bluetooth inițial, BLE folosește un set mai mic de canale mai largi ca lățime de bandă, de 2MHz, dar cu un vârf mai scăzut al vitezei de date. Banda canalului este similară cu cea de la Zigbee, dar cu spațiere mai îngustă. Un avantaj cheie al BLE este latența mai joasă, doar 3 ms față de 100ms a clasicului Bluetooth, precum şi complexitatea mai mică, astfel încât stiva sa software poate fi ușor încorporată în microcontrolere și cu costuri mai reduse. BLE păstrează suport pentru salt de frecvență din protocolul Bluetooth inițial, ceea ce îl face mai robust decât Zigbee în prezența unor semnale puternice de interferență.
Unul dintre principalele domenii de aplicare pentru BLE este cel al instrumentelor medicale, în cazul în care un număr de senzori de pe corp monitorizează ritmul cardiac, tensiunea arterială și starea, trimițând citirile lor de parametri, la intervale regulate, la un controler central, care poate fi un telefon mobil sau un instrument medical dedicat.
După ce a fost utilizată în diverse forme pentru mai bine de 15 ani, varianta Wi-Fi are avantajul de a fi cea mai matură tehnologie radio de rețea fără fir, adecvată pentru aplicații IoT. Prin intermediul unor protocoale, de pildă WPS, Wi-Fi poate oferi o integrare ușoară într-o rețea existentă pentru dispozitive care au o mică sau nicio interfață fizică cu utilizatorul.
Dintre tehnologiile fără fir potrivite pentru aplicații IoT, Wi-Fi are cea mai bună eficiență de putere de transmisie per-bit. Modelele Wi-Fi convenționale au tendința de a folosi mai multă energie pentru a menține o conexiune în mod static decât protocoalele BLE, care pot reduce eficiența energetică în cazul în care aplicația nu are nevoie de lățime de bandă mare. Cu toate acestea, furnizori precum GainSpan au insistat în proiectare pe eficiență energetică, de exemplu GS2000, care combină sprijinirea atât pentru ZigBee cât și Wi-Fi pe benzile 2.4GHz și 5GHz. Aceste modele pun partea radio într-un mod standby de economisire a energiei, în cazul în care nodul senzorului nu are nevoie pentru a transmite date. Trezirea se face numai pentru a trimite date sau se păstrează activă conexiunea pachetelor pentru a asigura controlerele centrale că nodul nu a eșuat.
În general, Wi-Fi are tendința de a se potrivi cu aplicații în cazul în care conformitatea cu stiva IP este un avantaj, există o cerință de a livra cantități mari de date precum audio sau video, sau dispozitivele de la distanță pot fi alimentate de la surse externe de energie.

Figura 2: Configurații de canale pentru Zigbee, BluetoothLE și Wi-Fi

Un exemplu de Wi-Fi aflat în uz vine de la Mernok Elektronik din Africa de Sud, care a folosit module connectBlue pentru a include rețele fără fir în sistemele de control de pe locomotive și de management al siguranței sistemelor feroviare utilizate în industria minieră. Modulele sunt utilizate pentru a colecta date de operare în timp real de pe fiecare vehicul și oferă o conexiune robustă, fără fir, pe ambele benzi de frecvență de 2,4GHz și de 5GHz, cu suport pentru actualizări de firmware over-the-air și modificări de parametri.
BLE și Wi-Fi pot fi folosite împreună eficient, așa că ambele sprijină protocoale de coexistență concepute pentru a reduce interferențele dintre cele două pe banda de frecvență comună de 2,4 GHz. Această capacitate de coexistență se pretează la implementarea în proiecte de gateway-uri unde BLE este folosit pentru conexiuni la noduri de senzori, iar Wi-Fi pentru transmiterea datelor agregate la o rețea backbone. APx4 de la Bluegiga livrează o soluție off-the-shelf pentru aceasta, oferind suport pentru Wi-Fi și full Bluetooth 4.0, care include BLE, soluţie bazată pe un procesor puternic 450MHz ARM9.
Un număr de microcontrolere integrate și chipset-uri de suport de la furnizori, precum Atmel, CSR, Freescale, STMicroelectronics și Texas Instruments oferă sprijin pentru protocoale, cum ar fi BLE, Wi-Fi și ZigBee. Pentru implementări care au nevoie de flexi­bilitate, transceiverele radio configurabile reali­zate de Lime Microsystems, fac mai ușor de implementat nodurile, care pot fi programate cu o interfață RF specifică, personalizată la punctul de fabricație pentru a corespunde diferitelor cerinţe de reţea din sistemul țintă.
IoT crescând dimensional, ne putem aștepta la mai multe soluții integrate care să ajungă pe piață. Dar, chiar și în acest stadiu incipient de dezvoltare, există multe opțiuni disponibile pentru un inginer, cu care să includă cele trei componente cheie ale suportului IoT.

Digi-Key
www.digikey.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre