НАДЕЖНАЯ СВЯЗЬ – КЛЮЧ К РАЗВИТИЮ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ

10.05.2023 |

По данным исследований количество объектов в Интернете вещей увеличивается на пять с половиной миллионов ежедневно. К концу этого года ожидается, что общее число этих объектов будет не менее 21 миллиарда. Учитывая такой взрывной рост, необходимо тщательно исследовать Интернет, который будет обеспечивать связь между множеством Интернет вещей. Создание надежного беспроводного соединения между этими устройствами является одной из серьезных проблем Интернета вещей.
Надежность системы связи можно определить по характеристикам двух критических компонентов: приемопередатчика и коммуникационного микроконтроллера. Существующие технологии беспроводной связи для бытовых устройств не всегда удовлетворяют требованиям к производительности промышленных систем, систем здравоохранения, охраны окружающей среды и т.п.
Различные приоритеты в этих системах, включая функциональную и информационную безопасность, точность и временную стабильность, увеличивают потребность в повышении надежности Интернета вещей в целом. Сотовые системы связи в большей мере отвечают необходимым требованиям, но зачастую не подходят для применения исходя из высокой стоимости и недостаточной пропускной способности. Сегодня существуют высоконадежные системы для важных промышленных и военных приложений.
Тем не менее, они разработаны с учетом того, что их надежность является главным приоритетом, а стоимостные показатели при этом игнорируются. При создании промышленного Интернета вещей необходимо обеспечить такой же высокий уровень надежности, как и для военных изделий, но при гораздо более низкой стоимости системы в целом.
Рассмотрим несколько примеров, в которых беспроводная связь использована для повышения эффективности системы, а высокая надежность является критически важным показателем. Примерами являются «умная фабрика», рис.1, дистанционное управления машинами и механизмами в сельском хозяйстве, регулирование клапана котла в химическом производстве и т.д.

Рис.1 Пример “умной” фабрики

Больницы и медицинские центры расширяют возможности телекоммуникаций для дистанционного контроля жизненных показателей пациентов. Сложные и дорогостоящие проводные решения можно заменить сетью беспроводных сенсоров, подключаемых к пациентам через локальный шлюз, рис. 2. Такие системы позволяют более эффективно контролировать состояние пациентов, снижая нагрузку на медицинский персонал.

Рис. 2. Пример применения беспроводных сетей в здравоохранении

Благодаря развитию методов обработки изображений и акустических сигналов, установленные в общественных местах мониторы (например, на фонарных столбах) могут с высокой степенью достоверности фиксировать автомобильные аварии и разную преступную деятельность, рис. 3. Эта информация может быть передана через беспроводную сеть в соответствующие городские службы вместе с данными о местоположении, чтобы обеспечить более быстрое реагирование на чрезвычайные ситуации.

Рис. 3. “Умные” мониторы на уличных фонарях

В каждом из приведенных примеров возникают проблемы поддержания надежной беспроводной связи. Металлические конструкция и толстые заводские стены создают существенное препятствие к распространению радиоволн на промышленных объектах, снижая их мощность на стороне приемника до критической величины. Насколько допустимо затухание радиосигналов, во многом определяется чувствительностью приемника. Чрезмерное уплотнение полосы частот канала передачи данных может привести к потере целых пакетов передаваемых данных.
Каналы для Интернета вещей, как правило, лежат в диапазоне ISM. Полосы частот ISM не требуют лицензии и могут использоваться для широкого спектра приложений в беспроводных телекоммуникациях. Полоса 2.4 ГГц стандартизирована во всем мире и широко используется устройствами в стандартах Wi-Fi и Bluetooth®.  Существуют также полосы ISM ниже частоты 1 ГГц. Эти полосы обычно используются для Интернета вещей: полоса частот 868 МГц – в Европе и 915 МГц – в США. Проблема надежной передачи данных возникает в случаях, когда несколько устройств Интернета вещей, расположенных в непосредственной близости, используют один и тот же диапазон ISM.
Передающие устройства могут создавать помехи расположенным поблизости приемным устройствам, например, в больницах, где разное оборудование использует один и тот же диапазон ISM. Способность радиоприемника работать в присутствии таких источников помех измеряется уровнем блокировки таких помех. Без блокировки помех работающие в непосредственной близости от приемников Интернета вещей мобильные телефоны, планшетные компьютеры и другие гаджеты могут привести к полной или частичной потере связи в этих системах. В военных и аэрокосмических приложениях используются сложные и дорогие средства для ослабления влияния источников помех на канал передачи данных. Приемопередатчики в системах Интернета вещей должны обеспечивать надежность передачи данных, подобную военным и аэрокосмическим системам, но без высоких стоимостных затрат на дополнительные компоненты.
Воздействие факторов окружающей среды тоже снижает производительность систем на основе Интернета вещей. Так, например, в системах аварийного реагирования, расположенных на уличных фонарях, из-за колебаний температуры в широком диапазоне может изменяться чувствительность приемника вплоть до потери связи, что неприемлемо для систем экстренного реагирования. Это означает, что разработчики Интернета вещей для таких применений должны гарантировать устойчивость этих систем к изменяющимся условиям окружающей среды.
Надежность также является важным параметром для коммуникационного микроконтроллера. Несмотя на, как правило, высокую надежность флеш-памяти и энергонезависимой памяти, эти компоненты также не защищены от повреждений или взлома. Поэтому важно, чтобы микроконтроллеры были оснащены необходимыми средствами обеспечения функциональной и информационной безопасности, чтобы идентифицировать поврежденный компонент памяти. После идентификации повреждения микроконтроллер может либо исправить ошибку, либо выключить управляемое им устройство, гарантируя безопасность системы в целом.

Компания Analog Devices уже более 50 лет разрабатывает надежные компоненты для решения перечисленных проблем. Требования сверхнадежных систем для промышленного Интернета вещей не новы.Радиомодуль ADF7030-1 со сверхнизким энергопотреблением (предназначен для ISM диапазона не более 1 ГГц) и микроконтроллер ADuCM3029 Cortex®-M3 обеспечивают надежные каналы связи для систем Интернета вещей. ADF7030-1 – один из лучших на сегодня по чувствительности радиоприемников. Он способен принимать радиосигналы на 3 дБ ниже, чем минимально допустимая мощность ближайших аналогов. Благодаря лучшим на сегодня показателям блокировки помех, ADF7030-1 обеспечивает уровень устойчивости к помехам, сопоставимый с военными и аэрокосмическими изделиями, при этом не требует применения внешних дорогостоящих компонентов. Его применение обеспечивает надежную связь в самых зашумленных радиочастотных средах.
Микросхемы компании Analog Devices хорошо защищены от влияния окружающей среды. Например, выходная мощность радиопередатчика ADF7030-1 изменяется не более чем на 0,2 дБ в рабочем диапазоне температур. В ближайших аналогах других производителей выходная мощность в рабочем диапазоне температур изменяется не менее чем на 2 дБ. Микроконтроллер ADuCM3029 включает функцию проверки четности флэш-памяти и энергонезависимой памяти, что позволяет выявлять ошибки, вызванные повреждением памяти, и по возможности устранять их. Этот микроконтроллер, кроме того, имеет функцию мониторинга напряжения батарейного питания в спящем режиме. Это гарантирует своевременное обнаружение падения напряжения питания ниже допустимого уровня.

ВЫВОДЫ
Компоненты компании Analog Devices широко используются в сигнальных цепях Интернета вещей, начиная от съема данных с сенсоров и до передачи их в центр обработки или в исполнительный механизм, что обеспечивает высокое качество и целостность информации в системах Интернета вещей в целом.