הלו, יש שם מישהו? כיצד למנוע הפסקת תקשורת ביישומים קריטיים של IoT (האינטרנט של הדברים)?

כולנו חווינו את זה קורה: דקה אחת אנחנו מדברים בטלפון נייד, ובשנייה הבאה השיחה שלנו מתנתקת. זה לא נוח כשזה קורה. אולי היינו באמצע שיחה חשובה, או גרוע מכך, היינו בשיחה קריטית עם המשטרה או מכבי האש.

זוהי חוויה אוניברסלית שמוכרת לכולנו והיא חלה גם על מוצרי IoT שאנו מעצבים. בין אם אתם מעצבים חיישן דליפה ביתי, מערכת אבטחה אלחוטית או בקר תהליך תעשייתי, חוויית אובדן התקשרת תשפיע קשות על חוויית המשתמש והאמינות של היישום שלך. למרבה המזל, בשוק של היום, קיימים פתרונות IoT אלחוטיים שנבנו עם עמידות מקסימלית, אמינות ואריכות ימים. פתרונות אלה מבוססים על
טכנולוגיית רשתות משולבות (mesh) עמידה, צריכת חשמל נמוכה ותדרים של sub-GHz מה שהופך אותם לטכנולוגיה האידיאלית להילחם בנפילת תקשורת.

IEEE 802.15.4
יכולת התאוששות עצמית של הטכנולוגיה

כפי הנראה שמעתם כבר טכנולוגיות אלחוטיות כגון Zigbee, WirelessHART, 6LoWPAN ו MiWi ™. טכנולוגיות אלה מבוססות על תקן IEEE 802.15.4. מאפיין מרכזי של תקן זה הוא היכולת ליצור רשתות משולבות (mesh) הכוללות צמתים בעלי תפקידים נפרדים. ברשתות אלה ישנם התקנים עם פונקציונליות חלקית (RFD), התקנים עם פונקציונליות מלאה (FFD) ומתאמים. התקני RFD ו- FFD מחוברים זה לזה, בעוד החיבור הסופי נעשה עם המתאם או ה – gateway.

לרשתות משולבות יש כמה תכונות חשובות להשגת תקשורת אמינה; באופן ספציפי הרחבת טווח, ניתוב מחדש והתמדה. הטווח של רדיו בודד מתרחב ברשתות משולבות (mesh) משום שהן מאפשרות תקשורת בין צומת לצומת. באיור 1, לכל צומת יש טווח עבודה של 10 מטרים, אבל עם רשת משולבת (meshing) טווח הרשת עלה לעד 30 מטרים. יכולת זו להרחיב את טווח העבודה מגבירה את אמינות התקשורת על ידי כך שהיא מבטיחה שהצמתים נמצאים בתור הטווח וכך פעילות הרשת נשמרת.

 

איור 1 – הרחבת הטווח ברשתות משולבות (Mesh)

 

תכונה מרכזית שנייה של רשתות משולבות (mesh) כוללת ניתוב מחדש או התאוששות עצמית. רבים מכם התנסיתם  באירוע בלתי צפוי בעת שנסעתם במכונית – אולי היציאה מהכביש המהיר סגורה לתיקונים, או נכנסתם לרחוב לא מוכר שלוקח אתכם בכיוון הלא נכון. במצבים אלה, אנחנו בדרך כלל פונים אל יישום המיפוי של הטלפון הנייד שלנו, שבדרך כלל מציע מסלול חלופי. זה הרעיון מאחורי הניתוב מחדש של הרשת המשולבת 802.15.4.

ברשתות אלחוטיות, ישנן בעיות רבות המתעוררות, כגון סוללות שנגמרו, הפרעות זמניות הנגרמות על ידי תנועת בני אדם, הפרעות קבועות הנגרמת על ידי שינויים בסביבה, צמתים חדשים שהוכנסו לרשת ועוד. כאשר מתרחשות הפרעות כאלה, רשתות משולבות המבוססות על תקן 802.15.4 יכולות להתאושש בעצמן. במילים אחרות, התנועה מהצומת אל המתאם יכולה להיות מנותבת מחדש דרך FFD אחר המציע נתיב אופטימלי יותר. תכונה זו משפרת באופן דרמטי את חוזק הרשת ובכך את האמינות של התעבורה ברשת.

יתרון שלישי של צמתים ברשתות משולבות מסוג 802.15.4 רשת הוא התמדה. שלא כמו בטכנולוגיות רשת כגון Ethernet או Wi-Fi®, אשר “מיישנים” צמתים שאינם מתקשרים בתוך הרשת, רשתות 802.15.4 מאופיינות בהתקשרות תמידית אשר מאפשרת לצמתים להפסיק לתקשר לתקופות ממושכות. צומת יכול לישון במשך שבוע, ולאחר מכן להתעורר, מיד להצטרף לרשת ולהעביר נתונים במהירות של 30 אלפיות השנייה. זהו יתרון עצום בתחום צריכת חשמל. פונקציות העברה והאזנה צורכות את מרבית האנרגיה במכשירי IoT, ולכן תכונה זו מפחיתה באופן משמעותי את היחס בין פעילות הרדיו לשינה.

חשיבות התדרים לאמינות הרשת

קיים יחס הפוך בין תדר השידור האל-חוטי לבין יכולתו לחדור לתוך חפצים אטומים בסביבתו הקרובה. התדר הנפוץ ביותר כיום הוא 2.4GHz. אנו משתמשים בו בבתינו במכשירים המשתמשים ב- Wi-Fi, Bluetooth ® ותנורי מיקרוגל. פס תדרים זה מסוגל להתמודד עם שידור של נפח נתונים גבוה, אך בשל החדירה הנמוכה יחסית שתדר 2.4GHZ מסוגל לבצע על גבי פסי הרשת בעלי התדירות הנמוכה, סביר להניח שהוא יתקשה להגיע לכל פינות הבית. עם זאת, פסי התקשורת הבלתי מורשים בעלי מהירות 800/900MHz מציעים יכולת חדירה עדיפה בנפח נתונים נמוך יותר, כאשר משתמשים בהם בסביבה שיש בה חפצים אטומים כגון קירות, עצים, רהיטים ודלתות. לכן, תדרים של sub-GHz מציעים ביצועים עדיפים כאשר רוצים לבנות רשת שיכולה לתפקד היטב בסביבות מוגבלות או קשות לחדירה. איור 2 ממחיש את השילוב העוצמתי של תדרי sub-GHz עם טכנולוגיית רשת משולבת.

איור 2 – רשתות 2.4GHz מסורתיות לעומת רשתות משולבות מסוג Sub-GHz

או.קי, אני שומע אותך עכשיו

שילוב של יכולת החדירה המעולה של רשת sub-GHzs עם רשת משולבת מסוג 802.15.4 יוצר תקשורת איתנה וברורה. האות מנותב אל המתאם דרך המסלול הטוב ביותר, חודר מחסומים, מתאושש משינויים בסביבה ומשמר את כוחו עד שהוא צריך לשלוח נתונים. שילוב זה מוביל לרשת תקשורת איתנה, אמינה ובעלת אורך חיים ניכר.

יישום של IoT חזק ואמין

כיום, רוב התקשורת האלחוטית מסוג 802.15.4 מבוססת על 2.4GHz ויודעת לנצל רק כמה מהיתרונות שדנו בהם כאן. מוצרים, כמו משפחת היחידות ATSAMR30 של בקרי המיקרו (MCUs)  של Microchip משלבים בתוכם תדרים תואמי  IEEE 802.15.4 עבור התדר של sub-1GHz. יש מודול קטן שניתן להוסיף בקלות לתוך יישומים המציעים הסמכה רגולטורית עבור צפון אמריקה, אירופה וסין. עם פלאש של  256KB, התקני ATSAMR30 יכולים בקלות להריץ stacks משולבים כמו MiWi, תוך כדי כך שהם עדיין מאפשרים פעולה של קודהיישום למטרות אבטחה, אוטומציה ביתית, תאורה ויישומים המשמשים למדידת צריכה ביתית כמו שעון חשמל, גז וכדומה.

שומרים על קשר

חשוב לתקשר בצורה ברורה ואמינה, במיוחד כאשר המידע יכול להיות משנה חיים. באמצעות רשתות משולבות המבוססות על תדרים 802.15.4 ו- Sub-GHz, הצמתים יישארו מחוברים בצורה מהימנה ברשת ה- IoT. רשתות כמו אלה המוצעות במשפחת ATSAMR30 של MCUs עם שידור מסוג Sub-GHz מסייעות להבטיח שהחלקים הקריטיים נמצאים במערכת לצורך העברת מידע באופן מהימן בסביבות משתנות בעת הצורך, וכל זאת תוך שמירה על חיי סוללה ארוכים.

ג'ייסון טולפסון, מנהל שיווק מוצר בכיר, Microchi

תגובות סגורות