Выбор протокола LPWAN для инфраструктуры города
В статье описывается процесс выбора беспроводного протокола технологии LPWAN. Приводятся краткие описания основных протоколов, и рассматриваются примеры модулей для реализации этих протоколов.
Введение
Во всем мире увеличивается численность городского населения. Судя по всему, эта тенденция сохранится и в ближайшей перспективе, что приведет к переселению в город сотен миллионов людей в течение нескольких десятилетий. Такое переселение создаст серьезную нагрузку на существующую инфраструктуру.
чтобы избежать перегрузки и ухудшения функционирования инфраструктуры, необходимо воспользоваться передовыми технологиями. К ним следует отнести «умный город». Эти технологии реализованы, например, в Нью-йорке, Дубае, Сингапуре, Амстердаме, Бристоле, Мумбаи и ряде других городов.
Обязательным условием существования умного города является свободный поток большого количества передаваемых данных из разных источников. Эти данные относятся к самому широкому ряду разных сервисов. Органы муниципального самоуправления, коммунальные компании, коммерческие компании могут использовать поступающие данные для оптимизации своей деятельности и для быстрого реагирования на возникающие проблемы и узкие места в их работе.
Благодаря интеллектуальным системам организации дорожного движения поток данных позволит избежать дорожных пробок, что благотворно скажется на качестве воздуха. Кроме того, эти данные позволят оперативнее контролировать параметры окружающей среды и быстрее реагировать на аварийные сит уации. Их так же можно использовать для управления уличным освещением.
Рисунок 1
Модуль ABZ компании Murata
Коммуникации
После того как данные от распределенных источников собраны, их требуется передать для последующего анализа на центральные серверы. Наилучшим образом это делается с помощью беспроводных технологий. В общем случае, беспроводная передача данных экономичнее и надежнее проводной.
Для связи в системах автоматизации зданий или на промышленных предприятиях лучше всего подходят протоколы беспроводной передачи ближнего радиуса действия – Bluetooth, Wi-Fi или Zigbee. Если же речь идет об организации связи в масштабах города, наилучшим решением является территориально распределенная сеть с малым энергопотреблением (LPWAN). Существует целый ряд протоколов LPWAN. Выбор подходящего варианта зависит от требований конкретного проекта. Кратко опишем некоторые протоколы.
Начнем с протокола Sigfox. Он существует уже довольно давно и использует нелицензируемый диапазон ISM, предназначенный для научных, промышленных и медицинских отраслей. Однако ISM – не стандарт, а запатентованная беспроводная технология. Это значит, что в каждой стране имеется только один оператор, поддерживающий данную технологию, и ее распространение зависит от затрат оператора. Протокол Sigfox хорошо подходит для управления парком техники и для решения задач логистики, но не очень удобен для использования в умном городе.
Беспроводная технология LoRa также использует диапазон ISM и реализует полностью двунаправленный обмен данными, в отличие от Sigfox, в которой двунаправленная передача имеет некоторые ограничения. В LoRa применяется шифрование данных по алгоритму AES-128. Первоначально LoRa использовалась для автоматической регистрации сообщений AMR. На ее базе формировались многочисленные сети в умных городах.
LoRa также отлично подходит для сетей коммунальных услуг. У этой технологии – огромный потенциал для связи на умных парковках, в системах мониторинга качества воды и интеллектуальном управлении сбора отходов, а также в других схожих приложениях.
В дополнение к LoRa и Sigfox применяются протоколы сотовой связи LPWAN. Возможно, они будут иметь преимущество по производительности и повышенному качеству обслуживания (QoS), но, по общему мнению, их использование потребует определенных компромиссов. Кроме того, следует учесть затраты на лицензирование.
Узкополосный интернет вещей (NB-IoT), который иногда называется LTE Cat NB1, много унаследовал от мобильной технологии LTE 4G, совместимой с мобильными сетями 2G, 3G и 4G. NB-IoT использует небольшую часть полосы LTE, что уменьшает энергопотребление. Эта технология более эффективна, чем ее несотовые аналоги LPWAN. Поскольку она обеспечивает повышенный уровень защиты, ее можно использовать в случаях, когда требуется платежный шлюз.
Альтернативой NB-IoT служит Cat-M1, целиком базирующаяся на LTE. В этой технологии используется более широкая полоса, чем в NB-IoT (1,4 МГц вместо 250 кГц), что позволяет в три–четыре раза увеличить скорость передачи данных и уменьшить время задержки. заметим, что при этом возрастает энергопотребление, и за использование этих частот взимается плата.
Рисунок 2
Рисунок 3
Структурная схема модуля ABZ
Модули Type 1SS и Type 1SC
Оба сотовых протокола LPWAN имеют свои преимущества. Для мобильных приложений лучше подходит Cat-M1, а в случае стационарных и чувствительных к стоимости приложений преимущество переходит к NB-IoT. Технология Cat-M1 получила наибольшее распространение в Северной Америке, а NB -IoT – в Европе и Китае
После выбора требуемого беспроводного протокола следует подобрать аппаратное обеспечение для его реализации. Поскольку в большинстве случаев используется батарейное питание, одним из главных требований к «железу» является низкое энергопотребление. В идеальном варианте устройство должно проработать не менее 10 лет без смены батарей. Еще одним важным требованием, особенно для носимых приложений, является ограничение размеров устройства. Конечно, нельзя забывать о масштабируемости решения, его экономичности и о возможности подключения к оптимизированным антенным устройствам, благодаря чему уменьшится энергопотребление при передаче сигнала.
Модуль ABZ от компании Murata (см. рис. 1) является хорошим выбором: его размеры составляют всеголишь 12,5×11,6×1,76 мм. Структурная схема модуля показана на рисунке 2. В состав модуля входит 32-разрядный микроконтроллер STM32L0 от компании STMicroelectronics и трансивер SX1276 с широким динамическим диапазоном от компании Semtech. Максимальная выходная мощность достигает 18,5 дБм, а чувствительность при приеме сигнала составляет –135,5 дБм.
Для реализации сотовой связи LPWAN в продуктовой линейке Murata имеются решения и для NB-IoT, и для Cat-M1. В новом модуле Type 1SS (размером 10,6×13,2×1,8 мм) для NB-IoT (см. рис. 3), предназначенном для Cat-M1, используется модем MT2625 компании Mediatek. В модуле Type 1SC (размером 11,4×11,1×1,5 мм) применяется модем LT1250 компании Altair. Этот модуль можно использовать в технологиях NB-IoT и Cat-M1.
Оба модуля имеют низкое энергопотребление. В режиме глубокого сна модуль Type 1SS потребляет 3,5 мкА, а модуль Type 1SC – 1,6 мкА. Таким образом, в режиме прерывистой работы с LTE (eDRX) оба модуля способны работать от одной батареи не менее 10 лет.
Выводы
знание беспроводных технологий LPWAN и учет конкретных требований к системе сбора данных существенно облегчают реализацию системы передачи данных и построение инфраструктуры умного города. При выборе протокола LPWAN следует учитывать несколько обстоятельств. Перечислим некоторые из них: дальность действия, периодичность передачи данных, время задержки передачи, качество обслуживания QoS и энергоэффективность.
Использование модулей Murata предполагает лишь небольшой опыт проектирования беспроводных систем и не требует глубокого знания Рч-технологий. Они специально разработаны для упрощения внедрения беспроводной инфраструктуры. Управление модулями осуществляется посредством стандартных коммуникационных интерфейсов, имеющихся в любом микроконтроллере – SPI, I2C, UART, USB.