Această experiență pe care am împărtășit-o cu toții se aplică și produselor IoT pe care le dezvoltăm. Fie că proiectați un senzor de scurgere pentru automatizarea locuinței, un sistem de securitate wireless sau un controler de proces industrial, pierderea comunicației poate afecta experiența utilizatorului și fiabilitatea aplicației dumneavoastră. Din fericire, în prezent, există pe piață soluții IoT wireless construite pentru durabilitate, fiabilitate și longevitate maxime. Aceste soluții dispun de o tehnologie mesh robustă, de un consum redus de putere și de frecvențe sub-GHz, ceea ce le face să fie alegerea ideală pentru a lupta împotriva pierderii comunicației.
Capabilitatea de autovindecare a tehnologiei IEEE 802.15.4
Sigur cunoașteți tehnologii wireless, precum Zigbee, WirelessHART, 6LoWPAN și MiWi™. Toate acestea se bazează pe standardul IEEE® 802.15.4. O caracteristică esențială a acestui standard este abilitatea de a forma rețele mesh, care includ noduri cu roluri separate. În aceste rețele există dispozitive cu funcție redusă (RFD – Reduction Function Devices), dispozitive cu funcție completă (FFD – Full Function Devices) și coordonatori. Dispozitivele RFD și FFD se conectează între ele, în timp ce conexiunea finală se stabilește cu coordonatorul sau gateway-ul.
Figura 1: Extinderea razei de acțiune în rețele mesh
Rețelele mesh au mai multe atribute importante pentru o comunicație fiabilă, în special extinderea razei de acțiune, rerutarea și persistența. Raza de acțiune a unui radio individual este extinsă în rețelele mesh prin permiterea comunicației de la nod la nod. În figura 1, fiecare nod are o rază de acțiune de 10 metri, dar cu ajutorul rețelei mesh, raza de acțiune a rețelei este extinsă la 30 de metri. Această abilitate de extindere a razei de acțiune sporește fiabilitatea comunicațiilor, asigurându-se că nodurile sunt “în raza de acțiune” și că rețelele sunt păstrate.
Un al doilea atribut important al rețelelor mesh include rerutarea sau auto-repararea. Mulți dintre dumneavoastră ați avut parte de un eveniment neașteptat în timp ce conduceați o mașină – poate că o ieșire de pe autostradă este închisă pentru reparații sau o stradă necunoscută vă duce în direcția greșită. În aceste situații, apelăm de obicei la aplicații de tip ‘Waze’ de pe telefonul mobil, care oferă o rută alternativă. Aceasta este ideea care stă la baza rerutării rețelei mesh 802.15.4.
În rețelele wireless, pot apărea multe probleme, cum ar fi bateriile descărcate, interferențele temporare cauzate de mișcările umane, interferențele permanente cauzate de schimbările din mediul înconjurător, introducerea de noi noduri în rețea și altele. Atunci când apar aceste perturbații, rețelele mesh bazate pe standardul 802.15.4 se pot auto-reface. Cu alte cuvinte, conexiunea de la nod la coordonator poate fi redirecționată prin intermediul unui alt FFD care oferă o cale mai bună. Această caracteristică îmbunătățește semnificativ robustețea rețelei și, prin urmare, fiabilitatea comunicației.
Un al treilea beneficiu adus de nodurile din rețelele mesh 802.15.4 este persistența. Spre deosebire de tehnologiile de rețea, cum ar fi Ethernet sau Wi-Fi®, care “îmbătrânesc” nodurile necomunicative din rețea, rețelele 802.15.4 prezintă un statut de ‘membru permanent’, ceea ce permite nodurilor să nu mai comunice pentru perioade lungi de timp. Un nod poate dormi timp de o săptămână, apoi se poate trezi, se poate alătura imediat rețelei și poate transmite date – în doar 30 de milisecunde. Acesta este un avantaj extraordinar pentru consumul de energie. Funcțiile de transmisie și de ascultare consumă cea mai mare parte a energiei în dispozitivele IoT, prin urmare această caracteristică reduce foarte mult raportul dintre activitatea radio și activitatea de somn.
Pentru fiabilitate, contează frecvența
Există o relație inversă între frecvența purtătoarei radio și abilitatea acesteia de a penetra obiectele solide din mediul înconjurător imediat. Frecvența cea mai utilizată în prezent este cea de 2,4 GHz. Aceasta este frecvența utilizată în casele noastre pentru Wi-Fi, Bluetooth® și cuptoarele cu microunde. Această bandă de frecvențe este cunoscută pentru viteza mare de transmisie a datelor, dar din cauza penetrării relativ slabe pe care o oferă 2,4 GHz în comparație cu benzile de frecvențe mai joase, este posibil să se confrunte cu probleme de acoperire în toată casa. Totuși, benzile nelicențiate de 800/900 MHz oferă o capacitate de penetrare superioară, la viteze de transfer de date mai mici, atunci când sunt utilizate în medii cu obiecte solide, cum ar fi pereți, copaci, mobilier și uși. Prin urmare, frecvențele sub-GHz oferă performanțe superioare atunci când se dorește construirea unei rețele care să funcționeze bine în medii dificile sau restrânse.
Figura 2: Rețele tradiționale de 2,4 GHz (stg.) vs. Rețele Mesh sub-GHz (dr.)
OK, acum te aud
Prin combinarea capacității excelente de penetrare a frecvențelor sub-GHz cu rețeaua mesh 802.15.4, rețeaua de comunicații este puternică și clară. Semnalul este direcționat către coordonator prin cea mai bună cale, infiltrându-se în bariere, recuperând din schimbările din mediul înconjurător și păstrându-și puterea până când trebuie să trimită date. Această combinație are ca rezultat o rețea de comunicații robustă, fiabilă și cu durată lungă de viață.
Implementarea unui IoT robust
În prezent, majoritatea stațiilor radio 802.15.4 se bazează pe 2,4 GHz și profită doar de câteva dintre avantajele pe care le-am menționat anterior. Produse, cum ar fi familia de microcontrolere (MCU) ATSAMR30 de la Microchip, sunt integrate cu tehnologii radio conforme cu IEEE 802.15.4 pentru benzile de frecvență sub 1GHz. Există un modul de mici dimensiuni care poate fi implementat cu ușurință în aplicații care oferă certificare de conformitate pentru America de Nord, Europa și China. Cu 256KB de memorie flash, dispozitivele ATSAMR30 pot rula cu ușurință stive mesh, precum MiWi, găzduind în același timp cod de aplicație pentru soluții de securitate, automatizare a locuinței, iluminat și contorizare.
Rămâneți în contact
Este important să comunicați în mod clar și fiabil, mai ales atunci când informațiile pot schimba vieți. Prin utilizarea rețelelor mesh bazate pe 802.15.4 și pe frecvențe sub-GHz, nodurile vor rămâne conectate în mod fiabil în cadrul rețelei IoT. Rețele precum cele oferite de familia de microcontrolere ATSAMR30 cu radio sub-GHz asigură că piesele critice sunt la locul lor pentru ca informațiile să fie transferate în mod fiabil în medii schimbătoare atunci când este necesar, menținând în același timp o durată lungă de viață a bateriei.
Autor: Jason Tollefson, Sr. Product Marketing Manager
Microchip Technology | https://www.microchip.com
Surse:
802.15.4 Primer
ISM Bands