Интеллект в краевой части 3: связь с узлом

Автор: Селезнев Владимир seleznev@naukatech.ru.

Публикация: 2025-03-03 20:20.

Последние изменения: 2025-03-03 20:20

Интеллект на границе Часть 3: Связь с пограничным узлом

Связанные промышленные машины могут ощущать широкий спектр информации, используемой для принятия ключевых решений в рамках Industrial Internet of Things (IIoT). Датчик в краевом узле может быть пространственно удален от любой точки агрегации данных. Он должен подключаться через шлюз, который связывает граничные данные с сетью.

Датчики образуют передний край экосистемы IIoT. Измерения преобразуют воспринимаемую информацию в количественные данные, такие как давление, смещение или вращение. Данные могут быть отфильтрованы для подключения только самой важной информации за пределами узла для обработки. Соединения с низкой задержкой позволяют принимать важные решения, как только доступны ключевые данные.

Смысл, измерение, интерпретация, подключение

Крайний узел обычно должен быть подключен к сети, либо через проводной, либо беспроводной сенсорный узел (WSN). Целостность данных остается ключевым в этом блоке цепочки сигналов. Оптимальные измеренные и измеренные данные имеют мало значения, если связь несовместима, потеряна или повреждена. В идеале надежный протокол связи будет разработан как предусмотрительный при проектировании системной архитектуры. Лучший выбор будет зависеть от требований к подключению: диапазон, пропускная способность, мощность, интероперабельность, безопасность и надежность.

Проводные устройства

Промышленная проводная связь играет ключевую роль, когда надежность соединения имеет первостепенное значение, например, EtherNet / IP, KNX, DALI, PROFINET и ModbusTCP. Далеко идущие узлы датчиков могут использовать беспроводную сеть для связи с шлюзом, который затем использует проводную инфраструктуру. Относительно несколько подключенных узлов IoT будут использовать только проводные связи, поскольку основная часть этих устройств будет подключаться по беспроводной сети. Эффективная стратегия соединения IIoT позволяет находить датчики в любом месте ценной информации, которая может быть обнаружена не только там, где находятся действующие коммуникации и инфраструктура питания.

Узлы датчиков должны иметь способ связи с сетью. Ethernet имеет тенденцию доминировать в проводной сфере, так как структуры IIoT отображают протоколы более высокого уровня для этого типа подключения. Реализации Ethernet варьируются от 10 Мбит / с до 100 Гбит / с и выше. Высокий конец, как правило, нацелен на основу интернета, чтобы связать фермы серверов в облаке. ¹

Промышленные сети с более низкой скоростью, такие как KNX, работают по витой медной паре с использованием дифференциальной сигнализации и 30 В с общей пропускной способностью 9600 бит / с. Хотя ограниченное количество адресов (256) может поддерживаться на каждый сегмент, адресация может поддерживать 65 536 устройств. Максимальная длина сегмента - 1000 м с возможностью поддержки линейных повторителей до 4 сегментов.

Промышленные проблемы беспроводной связи

Рассматривая, какие коммуникационные и сетевые технологии должны быть приняты, разработчики беспроводной сети IIoT сталкиваются со многими проблемами. Таким образом, при обзоре высокого уровня следует провести следующие ограничения:

Ассортимент
Прерывистая и непрерывная связь
Пропускная способность
Мощность
Interoperability
Безопасность
надежность

Ассортимент

Диапазон описывает расстояния, по которым данные передаются устройствами IIoT, подключенными к сети. Маломощная персональная сеть (PAN), где диапазоны измеряются в метрах, может иметь смысл для ввода оборудования в эксплуатацию через BLE. Локальная сеть (ЛВС) до сотен метров может использоваться для датчиков автоматизации, установленных в одном здании. Широкополосная сеть (WAN) измеряется в километрах, а ее приложения включают в себя сельскохозяйственные датчики, установленные на большой ферме.

Рисунок 1. Беспроводные соединения малой дальности

Выбранный сетевой протокол должен соответствовать диапазону, требуемому для использования в случае использования IIoT. Например, сотовая сеть 4G будет неуместной по сложности и мощности для приложения локальной ЛВС, работающего на десятках метров. Когда передача данных в требуемом диапазоне представляет проблему, краевые вычисления могут быть жизнеспособной альтернативой. Выполнять анализ данных в пограничных узлах, а не перемещать данные в другом месте для обработки.

Передаваемые радиоволны следуют за законом обратного квадрата для плотности мощности. Плотность мощности сигнала пропорциональна обратному квадрату расстояния, пройденного радиоволнами. Когда пройденное расстояние удваивается, радиоволна сохраняет только одну четверть от ее первоначальной мощности. Каждое увеличение выходной мощности на 6 дБм удваивает возможный диапазон.

В идеальном свободном пространстве закон обратного квадрата является единственным фактором, влияющим на диапазон передачи. Однако диапазон реального мира может быть деградирован с помощью таких препятствий, как стены, заборы и растительность. Влажность воздуха может поглощать радиочастотную энергию. Металлические объекты могут отражать радиоволны, в результате чего вторичные сигналы достигают приемника в разное время и создают разрушительные помехи в качестве дополнительной потери мощности.

Чувствительность радиоприемника будет определять максимальные потери сигнала, которые могут быть реализованы. Например, в промышленном научно-медицинском (ISM) диапазоне 2, 4 ГГц минимальная чувствительность приемника составляет -85 дБм. Радиочастотная излучательная энергия распространяется равномерно во всех направлениях с образованием сферы (A = 4πR²), где R - расстояние от передатчика до приемника в метрах. Потери мощности в свободном пространстве (FSPL) пропорциональны квадрату расстояния между передатчиком и приемником и квадрату частоты радиосигнала на основе установленного уравнения передачи Friis. ²

где Pt = передаваемая мощность в ваттах и S = мощность на расстоянии R.

где Pr = мощность в ваттах.

λ (длина волны передачи в м) = c (скорость света) / f (Гц) = 3 × 108 (м / с2) / f (Гц) или 300 / f (МГц)

где f = передаваемая частота.

Учитывая известную частоту передачи и требуемое расстояние, FPSL можно рассчитать для интересующей пары передачи и приема. Бюджет ссылок примет форму в уравнении 1.

Пропускная способность и возможности подключения

Полоса пропускания - это скорость передачи данных, которая может быть передана в течение определенного периода времени. Он ограничивает максимальную скорость, с которой данные могут быть собраны с узлов датчика IIoT и переданы вниз по течению. Рассмотрим следующие факторы:

Общий объем данных, которые каждое устройство генерирует с течением времени
Количество узлов, развернутых и агрегированных в шлюзе
Доступная полоса пропускания, необходимая для поддержки пиковых периодов данных пакета, отправленных либо постоянным потоком, либо как прерывистые пакеты

Размер пакета сетевого протокола должен идеально соответствовать размеру передаваемых данных. Неэффективно отправлять пакеты, заполненные пустыми данными. Тем не менее, есть также накладные расходы на разделение больших кусков данных на слишком большое количество небольших пакетов. Устройства IIoT не всегда подключены к сети. Они могут периодически подключаться для экономии мощности или полосы пропускания.

Мощность и совместимость

Если устройство IIoT должно работать на батарее для экономии энергии, устройство может быть переведено в спящий режим всякий раз, когда он находится в режиме ожидания. Энергопотребление устройства может быть смоделировано при различных условиях сетевой нагрузки. Это может помочь обеспечить подачу питания и емкость аккумулятора устройства в соответствии с потреблением, необходимым для передачи необходимых данных.

Взаимодействие по множеству различных возможных узлов внутри сети может быть проблемой. Принятие стандартных проводных и беспроводных протоколов было традиционным подходом к поддержанию интероперабельности в Интернете. Стандартизация для новых процессов IIoT может быть борьбой за то, чтобы идти в ногу с быстрыми темпами новых выпущенных технологий. Рассмотрим экосистему IIoT вокруг лучших технологий, которые подходят под решение. Если технология широко принята, существует более высокая вероятность долгосрочной совместимости.

Безопасность

Безопасность сети IIoT играет три важных аспекта в системе: конфиденциальность, целостность и аутентичность. Конфиденциальность опирается на сетевые данные, остающиеся только в пределах известной структуры, не позволяя взломать или перехватить данные из внешних устройств. Целостность данных зависит от содержимого сообщения, остающегося точно таким же, как и то, что было передано, без изменения, вычитания или добавления информации.4, 5 Аутентичность зависит от приема данных из ожидаемого эксклюзивного источника. Ошибочная связь с паролем - пример ложной проверки подлинности.

Безопасный беспроводной узел, взаимодействующий с незащищенным шлюзом, представляет собой уязвимость и обеспечивает возможность нарушения. Временная метка данных может помочь определить, был ли какой-либо сигнал перехвачен и повторно передан через боковой канал. Временное тиснение также можно использовать для правильного сбора данных о критических значениях времени, установленных во множестве несинхронизированных датчиков.

Поддержка безопасности для шифрования AES-128 может быть достигнута в рамках IEEE 802.15.4 и AES-128/256 в IEEE 802.11. Управление ключами, генерация случайных чисел криптографического качества (RNG) и списки управления доступом к сети (ACL) помогают повысить уровень безопасности для сети связи.

Частотные диапазоны

Беспроводные датчики IoT могут использовать лицензированные полосы частот в сотовой инфраструктуре, но это могут быть энергоемкие устройства. Телематическая телематика - пример приложения, в котором собрана мобильная информация, а беспроводная связь на коротких расстояниях не является жизнеспособным вариантом. Однако многие другие индустриальные приложения с низким энергопотреблением будут занимать нелицензионный спектр в диапазоне ISM.

Низкомощный беспроводной стандарт IEEE 802.15.4 может быть идеальным для многих промышленных приложений IoT. Работая в диапазонах ISM 2, 4 ГГц, 915 МГц и 868 МГц, он обеспечивает 27 полных каналов для скачкообразного переключения нескольких каналов. Физический уровень поддерживает нелицензированные полосы частот в зависимости от глобального местоположения. Европа предлагает канал 600 кГц 0 на частоте 868 МГц, в то время как в Северной Америке 10 полос с частотой 2 МГц с частотой 915 МГц. Операция по всему миру доступна через 5-канальный канал 11 по каналу 26 в диапазоне 2, 4 ГГц.

Bluetooth® Low Energy (BLE) предлагает значительно уменьшенное энергопотребление. BLE не идеально подходит для передачи файлов, но более подходит для небольших фрагментов данных. Основным преимуществом является его повсеместность по сравнению с конкурирующими технологиями, учитывая его широкую интеграцию в мобильные устройства. Спецификация ядра Bluetooth 4.2 работает в диапазоне 2, 4 ГГц ISM с диапазоном от 50 м до 150 м и скоростью передачи данных 1 Мбит / с с использованием гауссовской модуляции с частотным сдвигом.

Таблица 1. Диапазоны частот и каналообразование IEEE 802.15.4

При выборе оптимальной полосы частот для решения IIoT следует учитывать плюсы и минусы решения ISM 2, 4 ГГц:

Плюсы:

Без лицензии в большинстве стран
Такое же решение для всех географических рынков
Полоса пропускания 83, 5 МГц позволяет разделить каналы при высоких скоростях передачи данных
Возможен 100-процентный рабочий цикл
Компактная антенна по сравнению с полосами ниже 1 ГГц

Минусы:

Учитывая такую же выходную мощность, более короткий диапазон по сравнению с суб-1 ГГц
Вездесущая пролиферация создает много сигналов помех

Протокол связи

В системах связи используется набор правил и стандартов для форматирования данных и управления обменом данными. Модель межсоединений открытых систем (OSI) разбивает связь на функциональные уровни для упрощения реализации масштабируемых взаимодействующих сетей. Модель OSI реализует семь уровней: физический (PHY), канал передачи данных, сеть, транспорт, сеанс, презентация и прикладной уровень.

Рисунок 2. Модели OSI и TCP / IP

Стандарты IEEE 802.15.4 и 802.11 (Wi-Fi) находятся на уровне подуровня передачи данных (MAC) и PHY. Точки доступа 802.11, расположенные в непосредственной близости, должны использовать один из неперекрывающихся каналов для минимизации эффектов помех (рис. 3). Схема модуляции, используемая в 802.11g, представляет собой ортогональное мультиплексирование с частотным разделением (OFDM), более сложную схему, чем схема IEEE 802.15.4, описанная ниже.

Канальный уровень обеспечивает преобразование волн радиосигналов в биты и наоборот. Этот слой заботится о кадрировании данных для надежной связи и управляет доступом к интересующему радиоканалу.

Сетевой уровень маршрутизирует и передает данные через сеть. Именно на этом уровне интернет-протокол (IP) предоставляет IP-адрес и переносит IP-пакеты с одного узла на другой.

Между сеансами приложений, запущенными на двух концах сети, транспортный уровень генерирует сеансы связи. Это позволяет запускать несколько приложений на одном устройстве, каждый из которых использует свой собственный канал связи. Подключенные устройства в Интернете преимущественно используют протокол управления передачей (TCP) в качестве предпочтительного транспортного протокола.

Уровень приложения формирует и управляет данными для оптимизации потока для конкретного применения датчика узла. Одним из популярных протоколов уровня приложений в стеке TCP / IP является протокол передачи гипертекста (HTTP), который был разработан для передачи данных через Интернет.

Правила FCC Part 15 ограничивают эффективную мощность передатчиков в диапазонах ISM до 36 дБм. Исключением является фиксированная двухточечная связь в полосе 2, 4 ГГц для использования антенны с коэффициентом усиления 24 дБи и мощностью передачи 24 дБм для общего ЭИИМ 48 дБм. Мощность передачи должна быть не менее 1 мВт. Для частоты ошибок пакетов <1% чувствительность приемника должна быть способна принимать -85 дБм в диапазоне 2, 4 ГГц и -92 дБм в диапазонах 868 МГц и 915 МГц.

Рисунок 3. Всемирный канал IEEE 802.15.4 PHY 11 по каналу 26 и IEEE 802.11g Канал 1 по каналу 14

Браунфилд против Гринфилд

IIoT подразумевает широкую связь со многими проводными и беспроводными стандартами, чтобы это произошло. Однако для установки в существующую сетевую систему параметры могут быть не такими многочисленными. Возможно, новое решение IIoT должно быть адаптировано к сети.

Установка Greenfield создана с нуля в совершенно новой среде. Никакие ограничения не предусмотрены устаревшим оборудованием. Например, когда строится новый завод или склад, решение IIoT можно рассматривать в рамках планов по его оптимальной производительности.

Развертывание Браунфилда относится к сети IIoT, установленной в действующей инфраструктуре. Вызовы становятся более акцентированными. Унаследованная сеть может быть не идеальной, но новая система IIoT должна сосуществовать с любой установленной базой радиочастотных сигналов помех. Разработчики наследуют аппаратное обеспечение, встроенное программное обеспечение и предыдущие проектные решения в ограниченном контексте. Поэтому процесс разработки становится трудным и требует тщательного анализа, проектирования и тестирования.6

Сетевые топологии

Протокол IEEE 802.15.4 предоставляет два класса устройств. Полнофункциональное устройство (FFD) может использоваться в любой топологии для общения с любым другим устройством в качестве координатора PAN. Сокращенное функциональное устройство (RFD) ограничено звездообразной топологией, поскольку оно не может стать сетевым координатором. Он говорит только о сетевом координаторе в простых реализациях IEEE 802.15.4. Существует несколько сетевых моделей, в зависимости от приложения: одноранговый, звездный, сетчатый и многошоковый.

Рисунок 4. Сетевые модели: одноранговая, звездная, сетчатая и многопоточная топология

Одноранговая сеть объединяет два узла вместе, но не использует какой-либо интеллект для удлинения сетевого диапазона. Это обеспечивает быструю установку, но нет избыточности, если один узел не может функционировать.

Звездная модель расширяет свой полный радиальный диапазон до расстояния передачи двух узлов, так как использует FFD в качестве ведущего для связи с несколькими RFD. Тем не менее, каждый RFD по-прежнему доступен только для связи с маршрутизатором. Он может вместить одну точку отказа, если это не FFD.

Сетевая сеть позволяет любому узлу связываться или переходить через любой другой узел. Это обеспечивает избыточные коммуникационные пути для усиления прочности сети. Интеллектуальная сетчатая сеть может маршрутизировать коммуникацию через наименьшее количество прыжков, чтобы уменьшить мощность и задержку. Топология ad-hoc самоорганизации адаптируется к изменениям среды, позволяя узлам прибывать или покидать сетевую среду.

надежность

Клиенты IIoT оценивают надежность и безопасность в верхней части списка победителей заказа. Организации часто полагаются на большие сложные кластеры для анализа данных, которые могут распространяться с узкими местами, включая передачу данных, индексирование и извлечение, а также процессы преобразования и загрузки. Эффективная связь каждого краевого узла имеет первостепенное значение для предотвращения узких мест в нисходящих кластерах.5

Промышленная среда часто может быть жесткой для эффективного распространения РЧ-волн. Большое, неправильное, плотное металлическое заводское оборудование, бетон, перегородки и металлические стеллажи могут создавать многолучевое распространение. После этого волна покидает передающую антенну во всех направлениях, а «многолучевое распространение» описывает, как волна модифицируется путем ее распространения окружающей среды до прибытия в приемник. Волны инцидентов, наблюдаемые на приемнике, подразделяются на три типа: отраженные, дифрагированные и рассеянные. Многолучевые волны испытывают изменения в величине и фазе, приводя к созданию сложной волны с конструктивной или разрушительной интерференцией, наблюдаемой в приемнике получателя.

Доступ к каналу CSMA-CA

Многоуровневый доступ с поддержкой несущей с предотвращением столкновений (CSMA / CA) является протоколом уровня канала передачи данных, в котором датчики несущей используются сетевыми узлами. Узлы пытаются избежать коллизий, передавая всю свою пакетную информацию только тогда, когда канал воспринимается как незанятый. Скрытые узлы в беспроводной сети находятся вне диапазона от сбора других узлов. На рисунке 5 показан пример, когда узлы на дальнем краю диапазона могут видеть точку доступа «Y», но могут не видеть узел на противоположном конце диапазона, X или Z.7

Рисунок 5. Скрытые узлы X и Z не могут напрямую связываться

Квитирование, использующее RTS / CTS, реализует зондирование виртуальных несущих с коротким запросом на отправку и очистку для отправки сообщений для WLAN. Хотя 802.11 в основном полагается на физическое восприятие несущей, IEEE 802.15.4 использует CSMA / CA. Чтобы преодолеть проблему скрытых узлов, связь с RTS / CTS реализована в сочетании с CSMA / CA. Если это допустимо, увеличение мощности передачи скрытого узла может удлинить расстояние наблюдения.

протокол

Чтобы улучшить пропускную способность, усовершенствованные схемы модуляции модулируют фазу, амплитуду или частоту. Квадратурный фазовый сдвиг (QPSK) представляет собой схему модуляции с использованием четырех фаз для кодирования двух битов на символ. Квадратурная модуляция использует архитектуру микширования, которая обеспечивает фазовый сдвиг, чтобы уменьшить потребность в пропускной способности сигнала. Двоичные данные подразделяются на два последовательных бита и модулируются на квадратурных фазах несущей ωc, sinωct и cosωct.

Рисунок 6. Смещение архитектуры модулятора QPSK

Приемопередатчики IEEE 802.15.4, работающие в полосе ISM 2, 4 ГГц, используют вариант физического уровня QPSK, называемый офсетным QPSK, O-QPSK или ступенчатым QPSK. В битовый поток вводится постоянная времени смещения одного бита данных (Tbit). Это компенсирует данные во времени на половину периода символа, что позволяет избежать одновременных переходов в формах сигналов в узлах X и Y. Последовательные этапы фазы никогда не превышают ± 90 °. Одним из недостатков является то, что O-QPSK не допускает дифференциального кодирования. Однако он устраняет сложную техническую задачу когерентного обнаружения.

Модуляция, используемая в IEEE 802.15.4, уменьшает скорость передачи символов для передачи и приема данных. O-QPSK требует скорости символа ¼ против скорости передачи битов, одновременно передавая два закодированных бита. Это позволяет скорость передачи данных 250 кбит / с, используя 62, 5 ксимволов в секунду.

Масштабируемость

Не все узлы IoT требуют внешних IP-адресов. Для выделенной связи узлы датчиков должны иметь емкость для уникального IP-адреса. Хотя IPv4 поддерживает 32-разрядную адресацию, было очевидно, что десятилетия назад адресация всего лишь на 4, 3 млрд. Устройств не поддерживала рост интернета. IPv6 увеличивает размер адреса до 128 бит для поддержки 240 недэллионных глобально уникальных адресов (GUA).

Сопоставление данных и управление адресами из двух разных доменов IPv6 и сети IEEE802.15.4 представляют проблемы проектирования. 6LoWPAN определяет механизмы сжатия инкапсуляции и сжатия заголовков, которые позволяют отправлять и получать пакеты IPv6 через сети на основе IEEE 802.15.4. Thread - пример стандарта, основанного на протоколе закрытой документации, без лицензионных платежей, работающем на 6LoWPAN для включения автоматизации.

Analog Devices предоставляет набор беспроводных приемопередатчиков наряду с проводными протоколами для семейства микроконтроллеров ADuCx и семейства DSP Blackfin. Низкомощный ADRF7242 поддерживает IEEE 802.15.4 с программируемыми скоростями передачи данных и модулями с использованием глобальной полосы ISM со скоростью 50 кбит / с до 2000 кбит / с. Он обеспечивает соответствие стандартам FCC и ETSI. ADRF7023 работает во всемирном свободном от лицензии диапазоне ISM на частотах 433 МГц, 868 МГц и 915 МГц от 1 кбит / с до 300 кбит / с. Analog Devices предоставляет полную платформу разработки WSN для разработки настраиваемого решения. RapID Platform - это семейство модулей и наборов для разработки для внедрения промышленных сетевых протоколов. Беспроводные датчики SmartMesh® - это чипы и предварительно согласованные модули печатных плат с программным обеспечением сетки, позволяющие датчикам общаться в сложных промышленных средах IoT.