Компоненты Analog Devices для построения беспроводных сенсорных сетей SmartMesh IP

По различным прогнозам, к 2020 году количество подключенных к Интернету устройств вырастет до 40–200 млрд. При этом около 10 млрд из них будет приходиться на телефоны и компьютеры, все остальное — на «умные» вещи, способные контролировать не только параметры окружающей среды и различных объектов, но и ход технологических процессов при производстве разных видов продукции, его подготовке и логистике: от холодильника до датчиков на сельскохозяйственных и промышленных предприятиях, элементах инфраструктуры, на транспорте и в других областях человеческой деятельности. Инвестиции в «Интернет вещей» (Internet of Things — IoT) достигнут $6 трлн, причем основными пользователями станут правительства и корпорации.

Использование потенциала IoT для экономического и социального развития в ближайшие годы станет одной из основных задач. Именно поэтому многие производители электронных компонентов разрабатывают устройства, ориентированные на применение в системах IoT и IIoT (Industrial IoT).

Экономисты все чаще говорят, что мир стоит на пороге четвертой промышленной революции. Комбинирование технологий, в том числе применение недорогих датчиков, процессоров с низким энергопотреблением, постоянное масштабирование облачных сервисов, а также повсеместное внедрение беспроводных технологий связи позволили начать эту революцию.

Компания Analog Devices, являясь одним из ведущих производителей электронных компонентов, также выпускает комплекты микросхем и сертифицированных модулей для реализации систем IoT, включающих различные датчики, микроконтроллеры с низким энергопотреблением, модули для организации беспроводных сенсорных сетей, способные работать в жестких условиях промышленного «Интернета вещей».

Изделия семейства SmartMesh для организации беспроводных сенсорных сетей представляют собой микросхемы и предварительно сертифицированные модули на основе печатных плат, поставляемые в комплекте с программным обеспечением для смешанных (mesh) сетей, которые позволяют датчикам передавать информацию в сложных условиях промышленного «Интернета вещей» [1]. Все продукты данного семейства соответствуют требованиям стандартов 6LoWPAN (стандарт взаимодействия по протоколу IPv6 в маломощных беспроводных персональных сетях стандарта IEEE 802.15.4 [2]),802.15.4e (определяет физический слой и управление доступом к среде для беспроводных персональных сетей с низкой скоростью передачи информации [3]) и WirelessHART (IEC62591 [4]).

WirelessHART утвержден как международный стандарт IEC62591 и описывает технологию построения самоорганизующихся беспроводных сетей, в которых каждый прибор является ретранслятором данных от остальных приборов. Два ключевых компонента, обеспечивающих надежность беспроводных сетей, — это наличие нескольких независимых путей передачи информации для каждого прибора и автоматический выбор маршрута передачи. Сети WirelessHART могут быть задействованы как для управления, так и для мониторинга.

Стандарт WirelessHART, опубликованный в сентябре 2007 года, основан непосредственно на HART-протоколе, не связанном с физической средой передачи информации.

HART-протокол (Highway Addres­sab­le Remote Transducer — магистральный адресуемый удаленный преобразователь) является открытым стандартом на метод сетевого обмена, который содержит не только протокол взаимодействия устройств, но и требования к аппаратуре канала связи [5]. Он также содержит протокол обмена, проводной и беспроводной физические уровни. Проводной вариант предусматривает передачу цифровых данных и питания по двум проводам, сохраняя совместимость с аналоговыми датчиками стандарта токовая петля 4–20 мА.

Устройства HART работают в нелицензируемом диапазоне 2,4 ГГц, используемом в качестве среды передачи несколькими беспроводными технологиями, в том числе по беспроводной локальной сети.

Сходство между WirelessHART и HART позволяет беспроводным устройствам использовать существующую организацию производственного процесса, минимизирует количество изменений и расширяет возможности автоматизации процессов путем добавления беспроводных точек измерения и контроля для различных применений, включая техническое обслуживание, безопасность, охрану окружающей среды и др.

Основные характеристики системы связи, построенной по стандарту WirelessHART:

• диапазон частот для передачи информации: 2,4 ГГц;
• дальность связи: до 225 м;
• низкое потребление энергии;
• скорость передачи информации: до 250 кбит/с;
• соответствие стандарту HART.

Технология SmartMesh IP разработана компанией Linear Technology (на сегодня — Analog Devices) и ориентирована на создание надежных беспроводных сенсорных сетей, работающих в условиях сильных помех. Основные характеристики системы связи, построенной по технологии SmartMesh IP, практически совпадают с характеристиками системы, выполненной по стандарту WirelessHART. Отличие — в соответствии стандарту IEEE 802.15.4 (технология ZigBee).

Особенности и преимущества технологии SmartMesh IP иллюстрирует рис. 1.

Рис. 1. Сравнительные характеристики различных технологий построения беспроводных сенсорных сетей

Технология SmartMesh IP позволяет поддерживать топологии сети: «точка-точка», «звезда», «ячеистая» и «кластерная». IP­ сеть SmartMesh состоит из беспроводных точек доступа (Motes у Linear Technoogy), которые собирают и ретранслируют данные, и сетевого менеджера, управляющего производительностью и безопасностью сети и обменивающегося данными с хост­приложением.

Рис. 2. Типовая топология сети SmartMesh

Типовая топология такой сети приведена на рис. 2. Точки доступа могут соединяться с сенсорами напрямую (рис. 3 слева) и через клиентский микроконтроллер (рис. 3 справа). При прямом соединении точки доступа с сенсором она должна содержать набор инструментальных средств разработки программного обеспечения (SDK).

Рис. 3. Подключение точки доступа к сенсору напрямую (слева) и через клиентский микроконтроллер (справа)

Analog Devices выпускает четыре типа универсальных модулей для построения сетей SmartMesh IP (табл. 1),

четыре типа модулей сетевого менеджера и четыре типа модулей точек доступа для построения сетей WirelessHART (табл. 2).

В режиме сетевого менеджера модуль LTC5800­IPM поддерживает до 100 точек доступа на сеть, подключенную к одному шлюзу. Модули LTP5900­IPM, LTP5901­IPM и LTP5902­IPM обеспечивают до 300 точек доступа на один шлюз и позволяют объединять до 165 шлюзов в одну сеть (рис. 4).

Рис. 4. Организация сети SmartMesh IP с помощью универсальных модулей LTP5900­IPM, LTP5901­IPM и LTP5902­IPM

Кратко рассмотрим основные характеристики универсального модуля LTP5902­IPM [6, 7], чей внешний вид представлен на рис. 5.

Рис. 5. Внешний вид универсального модуля LTP5902­IPM

Основные характеристики модуля:

• наличие приемопередатчика, встроенного процессора и сетевого программного обеспечения для формирования самовосстанавливающейся ячеистой сети SmartMesh;
• синхронизация с сетью;
• скачкообразная перестройка частоты передатчика;
• высокая надежность (Н > 99,999% в самых тяжелых условиях радиообстановки);
• возможность реализации различных топологий сети;
• оптимизация энергопотребления;
• безопасность, сертифицированная NIST;
• соответствие6LoWPAN Internet Protocol (IP) иIEEE 802.15.4e;
• ток потребления в режиме приема: не более 4,5 мА; в режиме передачи: 9,7 мА при излучаемой мощности 8 дБм;
• сертифицирован в США, Канаде, ЕС, Японии, Тайване, Корее, Индии, Австралии и Новой Зеландии;
• печатная плата с чип-антенной (LTP5901­IPM) или с разъемом антенны MMCX (LTP5902­IPM);
• наличие набора для разработки програм­много обеспечения;
• диапазон рабочих температур: –40…+85 °С;
• габаритные размеры: 24×37 мм.

Благодаря возможности синхронизации все точки доступа в сети могут работать как маршрутизаторы или как источники данных. Малое энергопотребление позволяет обеспечить непрерывное функционирование модуля в течение нескольких лет без замены батареи питания. Модули легко настраиваются и программируются с помощью специализированного программного обеспечения.

Время, необходимое для синхронизации устройства в сети, не превышает 1 мс. При возникновении значительных радиопомех осуществляется повторная передача информации по другому пути и на другой частоте.

Сеть будет формироваться после того, как сетевой менеджер начинает отправку пакетов, содержащих информацию для синхронизации с сетью. Постоянный процесс опроса состояния сети гарантирует, что будут найдены пути передачи информации при значительных радиопомехах.

Кроме того, в сети отслеживается каждый канал, оценивается его производительность и ведется статистика (качество используемых путей, списки потенциальных путей и др.). Периодически каждая точка доступа отправляет эту информацию сетевому менеджеру в пакетах, называемых отчетами о состоянии здоровья (healthreports).

Использование режима планирования времени передачи информации позволяет устройствам находиться в спящем режиме между сеансами передачи. Программное обеспечение сетевого менеджера формирует это расписание автоматически. Интервал времени активной работы точки доступа составляет менее 1% от длительности полного цикла. А поскольку энергопотребление в спящем режиме намного меньше, чем в активном режиме, таким образом обеспечивается высокая энергоэффективность устройства.

Рис. 6. Графики зависимости потребления энергии в различных режимах работы модуля LTP5902­IPM

Это хорошо иллюстрируют графики энергопотребления модуля LTP5902-IPM в различных режимах работы, приведенные на рис. 6. Энергопотребление в различных режимах работы (передача, прием, прослушивание) может быть охарактеризовано либо зарядом, либо энергией [6]. В Data Sheet модуля LTP5902­IPM для оценки общего энергопотребления в различных режимах работы используется время заряда некоторого конденсатора (красные графики на рис. 5). Например, в режиме передачи весь цикл состоит из нескольких временных отрезков: времени пробуждения модуля; времени подготовки отправки сообщения; времени, необходимого для передачи сообщения; времени, отведенного для получения подтверждения о верном (или неверном) приеме сообщения; времени для последующей (после получения подтверждения) обработки результатов. Каждый из этих периодов характеризуется различным током потребления, а кривая заряда конденсатора является интегральной оценкой энергопотребления.

Больше всего времени модуль проводит в режиме ожидания, в котором, в свою очередь, спящий режим занимает свыше 80% времени.

Для оценки энергопотребления модуля LTP5902­IPM в таблице 3 приведены значения потребляемого тока в различных режимах работы. Из приведенных данных следует, что 99% времени ток потребления модуля составляет примерно 1 мкА, что и обеспечивает значительный срок службы в автономном режиме без замены батареи питания.

Структурная схема модуля приведена на рис. 7.

Рис. 7. Структурная схема модуля LTP5902­IPM

Модуль LTP5902­IPM условно можно разделить на две части:

1.Цифровую, включающую процессор, Flash-память объемом 512 кбайт, контролер Flash-памяти, статическое ОЗУ объемом 72 кбайт, систему контроля тактовой частоты, цифровые модулятор и демодулятор.

2.Аналоговую, включающую:

• в канале передачи — ЦАП, ФНЧ, смеситель, усилитель мощности (РА) и DC/DC-преобразователь;
• в канале приема — малошумящий усилитель (LNA), два полосовых фильтра, квадратурный смеситель, ограничитель и АЦП;
• синтезатор на основе системы ФАПЧ;
• компоненты для ввода аналогового сигнала — усилитель, управляемый напряжением (VGA), 4-разрядный ЦАП и 10-разрядный АЦП.

Для управления и связи с внешними устройствами модуль LTP5902­IPM содержит интерфейсы:

• UART;
• GPIO;
• SPI Master;
• I²C Master;
• 1­Wire Master.

Подробное описание модуля, режимов его работы и особенностей программирования можно найти в [6, 7].

Компания Analog Devices предлагает стартовый набор SmartMesh IP Starter Kit [8], который содержит (рис. 8):

• один сетевой менеджер с интерфейсом USB (DC2274A­A);
• один USB-модем (DC2274A­B);
• пять точек доступа (DC9018B­B);
• одну интерфейсную плату Eterna (DC9006A), которая включает плату адаптера DC9004;
• одинадаптерEterna QuikEval (DC9005A);
• дополнительные батареи CR2032;
• кабели USB.

Рис. 8. Стартовый набор SmartMesh IP Starter Kit

С помощью данного набора удается быстро создать небольшую сеть (рис. 9) и оценить ее возможности в условиях, близких к рабочим. Графический интерфейс пользователя программного обеспечения оценки StarGazer (GUI) помогает быстро увидеть структуру сети, статистику производительности, оценить достоверность передачи данных и задержку ожидания отклика (латентность).

Рис. 9. Организация сети SmartMesh IP с использованием стартового набора

Для оценки производительности сети компания Analog Devices предлагает программу SmartMesh Power and Performance Estimator [9], которая позволяет вводить различные конфигурации сети, размеры и скорости передачи отчетов данных, увидеть оценочную производительность сети, среднее потребление энергии, задержку, время формирования сети и другие параметры.

Более подробная информация о модулях, стартовом наборе и программном обеспечении представлена в [1, 2, 3, 4 5, 6, 7, 8, 9] и на сайте компании Analog Devices.