Как передаются данные
В этом модуле вы узнаете:
• какой устроен путь информации от датчика до нашего компьютера;
• какие виды «человеческой» и специальной связи используют в интернете вещей;
• как выбрать из десятка технологий подходящую и от чего зависит этот выбор
В видео Николай Шевалье называет основные технологии связи для интернета вещей и рассказывает, где лучше применять каждую. Запомните их — подробнее о них будет рассказано далее.
Количество устройств в нашем интернете вещей может насчитывать десятки, сотни или даже тысячи — и каждое отправляет отчет о своем состоянии. Согласитесь, будет удобнее увидеть все эти отчеты разом, а не по отдельности. Для этого мы можем добавить в цепочку передачи данных специальный компьютер — сервер. Он сведет все данные в один общий или несколько специализированных отчетов.
Но серверы подключают к внешнему миру по обычному интернет- соединению, а
устройства передают сигнал через радиомодуль — то есть не могут общаться с
сервером напрямую. Поэтому мы ставим между ними шлюз —
дополнительное устройство, которое примет радиосигнал и передаст его серверу.
Устройства шлют радиосигналы по установленной программе: раз в заданное время или только если произойдет некое событие.
Шлюз (или базовая станция) подключен к традиционным сетям электросвязи и конвертирует радиосигнал от устройств, чтобы передать его дальше. Для работы шлюза нужно много энергии, поэтому обычно его питают от провода. Иногда для расширения покрытия и числа подключений мы можем использовать несколько промежуточных базовых станций, которые будут обращаться на один шлюз, — а он передаст все сигналы на сервер.
Сервер обрабатывает данные от разных шлюзов, хранит обработанную информацию, сводит ее в отчеты и передает отчеты в приложения на наших компьютерах и телефонах. Сервер также используется для пересылки наших команд датчикам и пересылки данных другим серверам.
Не всегда «человеческие» сети соответствуют задачам интернета вещей.
Бывает и такое, что устройства общаются с нами смсками по сети 2G (GSM), — но если сообщений будет много, это выйдет дорого. А привычные нам сети Wi-Fi и 3G были изначально созданы, чтобы передавать большие объемы данных, — поэтому они активно «съедают» батарейки наших устройств. Да и покрытие у них не всегда стабильно. Поэтому для большинства случаев в интернете вещей используются более оптимальные технологии передачи данных.
Сети дальнего радиуса действия позволяют передавать данные на километры, а иногда и десятки км — главное, чтобы устройство «видело» свой шлюз. Две самые популярные сети в этой категории — LoRaWAN и NB-IoT.
Такие сети отлично подходят для сбора данных с удаленных объектов, но не всегда применимы, когда мы хотим отдавать оперативные команды датчикам. Каждое устройство может выходить на связь лишь на ограниченное время, чтобы не «забивать» эфир, — это требование регулятора. В результате прием и отправка сигнала могут запаздывать на срок от нескольких секунд до минут (и даже часов). Но есть и плюс — благодаря тому, что устройствам не нужно быть постоянно на связи, они меньше расходуют батарейку и могут работать от одного заряда месяцами и годами.
Сеть LoRaWAN подходит для передачи данных там, где не всегда есть сети сотовых операторов.
Такая сеть отлично подойдет для сельской местности — зачастую там нет хорошего покрытия от действующих операторов, и мы не можем использовать их сети передачи данных. Поэтому мы ставим собственные базовые станции и шлюзы, умеющие принимать данные от устройств по технологии LoRaWAN, конвертировать их и передавать на сервер по Ethernet-проводу или привычным нам 2G/3G/4G-сетям, если те доступны в месте установки шлюза.
Этот подход требует вложений в оборудование, но гарантирует передачу данных даже из самых «дремучих» мест. В то же время мы не можем лицензировать частоту передачи данных только для своих нужд: все LoRaWAN-совместимые устройства работают в одном диапазоне частот, и если кто-то рядом тоже станет передавать данные, сигналы от наших и чужих датчиков начнут мешать друг другу.
NB-IoT — для передачи ценных данных в крупных городах, где операторы развернули современные сети связи.
Крупный город — среда, буквально пронизанная разными радиосигналами, которые могут мешать друг другу. Поэтому хотя сети LoRaWAN сегодня используются и в мегаполисах, там их начинает теснить другая технология.
NB-IoT— это специальный вид связи для устройств интернета вещей, который предлагают операторы «большой четверки». У каждого оператора свой радиочастотный диапазон, другие в нем работать не имеют права: значит, вероятность, что кто-то вклинится в эфир ваших устройств, мала — а если это и случится, нарушителя найдут. Чтобы подключиться к сети, достаточно заключить договор на использование сим-карт или даже готовых устройств от оператора.
Однако такие сети сегодня развернуты не везде даже в крупных городах — и если нужного микрорайона не окажется в зоне покрытия, придется ждать, когда оператор сам придет туда. Обычно NB-IoT первым появляется там, где уже есть покрытие LTE.
Целый ряд компаний в России и в мире предлагает готовые решения под ключ — они поставят датчики, устройства и остальную аппаратуру, наладят связь на базе сверхузкополосных технологий и даже смогут предложить ПО для обработки ваших данных.
С одной стороны, вы делегируете все работы одному подрядчику — оплачивайте счета, а он возьмет на себя остальные заботы. Но у такого подхода есть и минусы: вы становитесь целиком зависимы от одной компании, которая контролирует все узлы и уровни вашего интернета вещей, — в том числе зависимы от ее тарифов и технологичеcких ограничений. Например, не всегда вы сможете передавать команды на актуаторы своих устройств — либо такая процедура будет стоить вам отдельных денег. Да и список доступных устройств тоже будет сильно ограничен.
В сухом остатке
Существует множество объектов, где важны и высокая скорость передачи, и низкое энергопотребление, и хорошее покрытие на большой площади: например, это линии уличного освещения, промышленные и офисные здания. Чтобы учесть все эти требования, инженеры придумали ячеистые сети.
В ячеистой сети устройства, стоящие в десяти-ста метрах друг от друга, могут общаться со станцией не напрямую, а через соседей. Достаточно, чтобы хоть одно устройство «видело» станцию, — тогда оно «отчитается» за всю свою «ячейку», а также передаст всем, с кем может общаться, сигнал от базы. Данные по такой цепочке идут очень быстро, а если какое-то устройство выйдет из строя, цепочка перестроится сама — и сеть продолжит свою работу.
Существует много технологий ячеистых сетей. Одна из самых универсальных — 6LowPAN, ее используют как на улицах, так и в зданиях; очень часто — с устройствами, собранными специально под конкретный проект. Технология ZigBee, наоборот, обычно используется с готовыми устройствами для систем умного дома и офиса.
В сухом остатке
Технологии вроде LoRaWAN хороши, когда нам нужно посылать сигнал на сотни метров и далее, — но мы решаем эту задачу ценой низкой скорости и задержек в передаче данных. Сети вроде Wi-Fi помогают передавать сигнал быстро, но на очень ограниченном пространстве — и сильно «сажают» батарейку. При этом каждое устройство в зоне покрытия должно «видеть» свою базовую станцию, что часто усложняет проект. Чтобы не жертвовать скоростью, дальностью или энергоэффективностью, мы можем использовать одну из технологий ячеистых сетей. Выбор конкретного решения будет зависеть от многих факторов: объекта, устройств и так далее. Решать лучше вместе с инженером.
Эти сети пригодятся, если мы захотим без лишних отметок в журнале понимать, когда работник пришел на завод, или останавливать автоматический погрузчик, если на его пути окажется кто-то из персонала.
Если мы хотим отслеживать лишь факт присутствия, вроде прихода на работу, достаточно вшить в пропуска рабочих маячок с поддержкой Bluetooth, а на входе на завод поставить Bluetooth-приемник — для этого специально разработана версия технологии с низким энергопотреблением. Когда между датчиком и приемником будет оставаться несколько метров, они среагируют друг на друга. А мы получим автоматическую отметку о приходе. Оснастив приемниками все корпуса, мы сможем понимать, как люди перемещаются по территории завода в течение дня.
Если мы хотим отслеживать перемещения с высокой точностью — например, чтобы предотвратить аварию, как в случае с погрузчиком, нам пригодится технология DecaWave. Опять же мы ставим маячки на пропуска сотрудников, а также размечаем датчиками опасное оборудование. Теперь мы можем в реальном времени получать сигналы о положении машин и людей с точностью до 10 сантиметров. И если человек и погрузчик опасно сблизятся, система пошлет сигнал тревоги на карточку сотрудника или команду остановки — на датчик погрузчика.
Таблица ниже содержит ключевую информацию по сетям передачи данных. Помимо тех сетей, о которых вы уже читали, в таблицу добавлены привычные многим GSM, 3G и WiFi, а также еще одна технология ячеистой сети — Z-Wave.
Датчик, микроконтроллер, базовая станция, сервер, приложение, питание — все компоненты интернета вещей, о которых вы читали на протяжении трех модулей, материализуются на столе экспертов нашего курса. Олег Артамонов, генеральный директор компании Unwired devices и Татьяна Волкова, менеджер проекта IoT Академия Samsung на ваших глазах соберут из них сеть передачи данных на основе технологии LoRaWAN.