На сегодняшний день существует множество технологий организации беспроводных сетей передачи данных, среди которых наиболее известны Wi-Fi 802.11, Bluetooth, ZigBee, Z-Wave, WirelessHART / DUST, ISA 100а, различные версии протоколов 802.15.4, а также некоторые запатентованные версии протоколов ISM-диапазона. Но, из-за сложности и высокого энергопотребления многие протоколы малопригодны для разработки некоторых сетевых приложений автоматизации и мониторинга параметров.
В приложениях с батарейным питанием, с учетом того, что решающими факторами здесь являются время автономной работы и низкие эксплутационные расходы, диапазон доступных беспроводных технологий еще больше сужается. Тем не менее, появились два стандарта беспроводного обмена данными ближнего радиуса действия, которые отвечают указанным требованиям: Bluetooth Low Energy и ANT.
Топология беспроводных сетей
Существует множество способов реализации беспроводных сетей, удовлетворяющих тем или иным требованиям приложения (Рисунок 1). Беспроводной узел в сети (каждый кружок на рисунке) может быть передатчиком, приемником или приемопередатчиком. Некоторые узлы являются только ведомыми (Slave), они только управляются или контролируются. Другие становятся ведущими (Master) или агрегаторами данных, и используются для подключения к внешним коммуникациям. Некоторые узлы могут использоваться в качестве повторителей при передаче данных от одного узла к другому.
 |
|
| Рисунок 1. | Наиболее распространенные топологии беспроводных сетей: «точка-точка» (а), «звезда» (б), «кластерное дерево» (в) и «каждый с каждым» или «mesh» (г). Каждый узел является приемопередатчиком, и в каждой сети имеется ведущий контроллер. |
Топология «точка-точка» (point-to-point) является простейшей формой сети (Рисунок 1а). Это может быть простое соединение передатчика и приемника или двух приемопередатчиков. Передающим узлом может быть какой-либо датчик, а приемником, например, исполнительное устройство.
Следующая распространенная топология сети – «звезда» (Star) (Рисунок 1б). Несколько узлов подключаются к центральному контроллеру. Следовательно, такое соединение можно определить как «многоточка-точка». Узлы не «общаются» непосредственно друг с другом, обмен данными идет только с центральным контроллером. Топология «звезда» может иметь еще одну конфигурацию, при которой центральный контроллер транслирует данные всем другим узлам. В этом случае соединение определяется как «точка-многоточка».
В сети с топологией «кластерное дерево» (Tree) может быть множество ветвей (Рисунок 1в). Из рисунка видно, что в этом случае обмен данными осуществляется между двумя сетями с топологией «звезда» через центральные контроллеры. Следующая распространенная топология, характерная для беспроводных сетей датчиков, «каждый с каждым» (Mesh) может иметь множество конфигураций (Рисунок 1г). Ключевая особенность такой сети заключается в возможности узлов обмениваться данными непосредственно друг с другом.
Кроме того, в сети с Mesh-топологией большинство узлов или каждый узел могут быть ретрансляторами, что позволяет передавать данные от одного узла к другому, даже если они не имеют непосредственного соединения. Например, расстояние или ограниченная мощность не позволяют узлу F подключиться непосредственно к узлу A, но он может передать данные через другие узлы (скажем, через B или E и C). Особенности этой топологии дают возможность создавать беспроводные сети с большим количеством узлов и очень большой зоной покрытия.
Даже по структурной схеме Mesh-сети видно, что такая топология гарантирует высокую надежность. Если один узел вышел из строя (например, из-за разряда источника питания), или по какой-то причине заблокирован, то для передачи данных в этой сети всегда то можно найти альтернативные пути. Как правило, такие сети более сложны, но дополнительные затраты на их реализацию оправданы надежностью и площадью покрытия.
Все рассмотренные топологии беспроводных сетей имеют в своем составе центральный контроллер (центральный узел). В качестве центрального узла может выступать персональный компьютер, мобильный телефон или специальное устройство – маршрутизатор, которое подключается к локальной сети (LAN) или Интернет.
Приложения
Большинство беспроводных сетевых технологий с ультранизким энергопотреблением находит применение в бытовых и медицинских приборах, в устройствах для фитнеса и спорта. Чаще всего это мобильные компактные устройства с одним элементом питания, которые могут функционировать несколько лет. В возможные сферы их применения входят:
- Потребительская техника:
- Электронные устройства слежения за людьми или объектами
- Детекторы приближения в системах идентификации, авторизации и беспроводных замков
- RFID-подобные устройства
- Приборы учета с функцией удаленного считывания показаний
- Игрушки
- Автомобильные приложения
- Домашние сети Home Area Networks
- Человеко-машинные интерфейсы и периферия.
- Медицинские приборы и системы:
- Приборы удаленного мониторинга здоровья
- Измерители пульса, температуры и др.
- Сети Body Area Network.
- Устройства для спорта и фитнеса:
- Спортивные часы и устройства мониторинга
- Велосипедные компьютеры
- Ремешки и пояса с кардиопередатчиком.
Технология Bluetooth Low Energy
Bluetooth Low Energy (BLE) или Bluetooth 4.0 – является технологией беспроводной связи для ближних коммуникаций, разработанной группой Bluetooth Special Interest Group (SIG) в 1998 году. В отличие от предыдущих стандартов – Bluetooth 2.0, Bluetooth 2.1 + EDR, Bluetooth 3.0, – стандарт BLE изначально ориентирован на применение в системах сбора данных и мониторинга с автономным питанием.
Технология BLE, известная также, как Bluetooth Smart – маркетинговое название для устройств с низким энергопотреблением. Bluetooth, вероятно, можно считать наиболее широко распространенной технологией беспроводной передачи данных на ближние расстояния в связи с использованием в миллиардах мобильных телефонов (в гарнитурах и аксессуарах) и миллионах ноутбуков. Благодаря появлению версии Smart технологию ожидает еще более широкое распространение по всему миру.
Разработка Bluetooth Smart основывалась на комплексе различных технических и радио методов с целью достижения минимального энергопотребления. Протокол обмена данными был изменен для реализации очень коротких рабочих циклов передачи или коротких сигналов передачи между длительными паузами. Сочетание чрезвычайно низкого энергопотребления в режиме «сна» и коротких рабочие циклов передачи позволяет устройству Bluetooth Low Energy функционировать от одной плоской часовой батарейки в течение многих лет.
BLE, как и стандартная Bluetooth, работает в нелицензируемом ISM диапазоне 2.4 – 2.483 ГГц. Однако эта технология использует другой метод псевдослучайной скачкообразной перестройки рабочей частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum). В стандартном протоколе Bluetooth рабочая частота скачкообразно меняется 1600 раз в секунду в пределах 79 каналов шириной 1 МГц. В Bluetooth LE используются 40 каналов шириной 2 МГц, что повышает надежность передачи данных на большие расстояния. Скорость передачи данных Bluetooth может быть 1, 2 или 3 Мбит/с, а максимальная скорость BLE составляет 1 Мбит/с с пропускной способностью сети 260 Кбит/с. BLE также использует GFSK-модуляцию (Gaussian Frequency Shift Keying – Гауссовская частотная манипуляция).
Выходная мощность передатчиков BLE составляет 0 дБ (1 мВт), при этом типичная максимальная дальность связи равна 50 м. Задержка измеряется всего лишь 6 миллисекундами. Сочетание адаптивного метода скачкообразной перестройки частоты (снижающей влияние помех) c 24-разрядными циклическими избыточными кодами и 32-разрядным полем контроля целостности кадров (MIC) улучшает надежность связи. Используется алгоритм шифрования AES-128, а наиболее распространенные топологии сети – «точка-точка» и «звезда».
Однако необходимо принять во внимание один ключевой момент: BLE несовместим со стандартным Bluetooth, устройства BLE не могут взаимодействовать с классическими Bluetooth-устройствами. Тем не менее, если потребуется решить эту проблему, можно воспользоваться двухрежимными устройствами, поддерживающими оба стека протокола.
Двухрежимное устройство представляет собой интегральную микросхему, в которую включены радиочастотные блоки как для стандартного Bluetooth, так и для Bluetooth Low Energy. Каждый из них работает отдельно, но не одновременно, хотя одну антенну они могут использовать совместно. Некоторые производители, такие как Broadcom, CSR, ЕМ Microelectronics, Nordic Semiconductor и Texas Instruments предлагают специализированные двухрежимные микросхемы Bluetooth. Завершенные решения в виде Bluetooth-модулей предлагает компания connectBlue (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Ассортимент готовых к использованию модулей Bluetooth, разработанных компанией connectBlue, включает в себя классический модуль Bluetooth, модуль Bluetooth Smart Ready, поддерживающий стандартный Bluetooth и BLE, и модуль Bluetooth Smart с поддержкой только протокола BLE. |
Технология ANT
ANT представляет собой еще одну беспроводную технологию ближнего действия с ультранизким потреблением, разработанную для создания сенсорных сетей и подобных приложений. Также как и для Bluetooth, используется ISM диапазон 2.4 ГГц. Собственный протокол разработан и продается канадской компанией Dynastream Innovations – дочерней компанией Garmin. До последнего времени технология использовалась, в основном, в сфере спортивных приложений и для создания персональных сетей мониторинга здоровья человека. Однако она применима и для всех приложений описанных выше.
У технологии ANT много общего с Bluetooth LE. Стек протокола ANT также использует технику короткой передачи данных и режим «глубокого сна» для снижения энергопотребления. Каждый беспроводной узел сети ANT может быть ведомым или ведущим, может передавать или принимать данные, а также выполнять функции ретранслятора.
Протокол ANT использует только один канал шириной 1 МГц для нескольких узлов, поэтому он основан на технике мультиплексирования с временным разделением. Каждый узел передает данные только в своем собственном интервале времени. Базовая длительность сообщения составляет150 мкс, в то время как скорость передачи 8-битных сообщений (время между передачами) варьируется и соответствует диапазону частот 0.5 Гц – 200 Гц. Для обнаружения ошибок используются 16-битные циклические избыточные коды (CRC16). Для каждого канала может быть определено до 65536 временных интервалов. Если в канале выявляются помехи, узловые приемопередатчики могут переключать канал. Опять же, используется модуляция GFSK.
Относительно недавно к ANT добавилась ANT+. Это чисто программное расширение исходной технологии, реализующее функцию взаимодействия в управляемой сети, которая упрощает сбор, автоматическую передачу и отслеживание данных от датчиков для мониторинга всех использующихся в сети, узлов и устройств. Еще одной отличительной чертой ANT является система разработки сети беспроводных датчиков SensRcore. Специализированные микросхемы приемопередатчиков выпускаются компаниями Nordic Semiconductor и Texas Instruments (Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | Nordic Semiconductor выпускает микросхемы для беспроводных решений диапазона 2.4 ГГц. В эту группу входят базовая микросхема приемопередатчика 2.4 ГГц (слева), микросхема со встроенным протоколом ANT (в центре) и микросхема со встроенным протоколом BLE (справа). |
Сравнение двух технологий беспроводной передачи данных
Между Bluetooth LE и ANT много общего, но различия очень существенны (Таблица 1). Обе технологии хорошо подходят для маломощных беспроводных приложений. ANT имеет очень простой протокол с минимальными потерями трафика на служебные сигналы и поддерживает все типы топологий сети, тогда как верхом возможностей BLE является «звезда». С другой стороны, на сегодняшнем рынке предложение чипов, поддерживающих BLE, намного больше, чем ANT.
| Таблица 1. | Сравнение общих параметров технологий беспроводной передачи данных ANT и Bluetooth LE |
|||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||
