АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УСТРОЙСТВ В РАМКАХ СИСТЕМЫ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ

Введение

Internet of Things (IoT, Интернет вещей) — это стремительно развивающаяся технологическая концепция, которая включает в себя информатику, сетевые технологии, сенсорную технику и микроэлектронику. Данный концепт предполагает подключение различных вещей к общей сети для удалённого управления ими через программное обеспечение и обмена данными в режиме реального времени. Это позволит решить и автоматизировать множество рутинных задач, начиная от измерения экологических показателей и заканчивая увеличением эффективности производства.

Стандарты связи для компактной сети IoT

При построении сети интернета вещей одним из самых важных вопросов является то, как элементы сети связываются между собой. В этом случае можно предложить различные варианты решения поставленной задачи. Конкретное решение зависит от целей и задач проекта.

При рассмотрении вариантов сетевого подключения необходимо учитывать следующие аспекты:

1. Дальность;
2. Частота;
3. Скорость передачи данных;
4. Энергопитание;
5. Безопасность.

Сравнение сетевых стандартов связи приведено в таблице 1.

Таблица 1.

Сравнение сетевых стандартов

Wi-Fi

Wi-Fi (от англ. Wireless Fidelity) — беспроводная сетевая технология, позволяющая устройствам подключаться к сети при наличии Wi-Fi модуля. В основном с используются диапазоны частот 2,4 ГГц и 5 ГГц. Данная технология развивается Wi-Fi Alliance на базе стандарта IEEE 802.11. Технология Wi-Fi получила очень широкое распространение и де-факто стала лидером в беспроводной передачи данных.

Несмотря на свою распространённость и доступность технология Wi-Fi слабо представлена в концепции интернета вещей. Для понимания причин этого необходимо рассмотреть преимущества и недостатки этого стандарта связи.

Преимущества Wi-Fi:

1. Повсеместная доступность инфраструктуры 802.11.  Этот стандарт представлен во всех новых устройствах (ноутбуки, смартфоны);
2. Высокая скорость передачи данных. Скорость передачи до 7 МБит/с выгодно отличается на фоне других рассматриваемых стандартов;
3. Диапазон покрытия. Одной точки доступа Wi-Fi достаточно для покрытия площади средней квартиры. В больших помещения можно увеличить количество точек доступа или ретрансляторов сигнала.

Недостатки Wi-Fi:

1. Высокое энергопотребление. Для поддержки высокой скорости передачи данных требуется большое количество энергии. Для устройств, работающий от автономного источника питания, это является большой проблемой;
2. Топология сети. Wi-Fi использует топологию «звезда». Весь траффик зависит от центрального маршрутизатора. Если данный маршрутизатор выйдет из строя, отдельные узлы сети прекратят взаимодействия друг с другом;
3. Интерференция и помехи. Качество и скорость Wi-Fi соединения могут ухудшиться при наличии других подобных устройств в той же области. Также множество иных устройств используют диапазон 2,4 ГГц, что может вызвать значительные дополнительные помехи;
4. Проблемы с безопасностью. В Wi-Fi отсутствует шифрование данных в открытых сетях. Вся информация, которая передаётся по открытому беспроводному соединению, может быть прослушана.

ZigBee

Zigbee — технология, которая основана на радио стандарте IEEE 802.15.4 и предназначена для стандартизации маломощных M2M устройств разных производителей [1]. Разрабатывается ZigBee Alliance. Протокол обеспечивает небольшую скорость передачи данных и возможность работы устройств от автономных источников питания длительное время. Технология ZigBee рассчитана на приложения, которые требуют высокий уровень безопасности при передачи данных. Данная технология поддерживает реализацию различных топологий сети: «точка-точка», «звезда», «дерево», а также самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую топологию (mesh). Иными словами, когда устройства посылают сигнал по цепочке, а одно из устройств выпадает, то происходит самоорганизации системы и построение иного маршрута.

Преимущества ZigBee:

1. Самоорганизация и самовосстановление;
2. Низкое энергопотребление;
3. Хорошая масштабируемость. При небольшом радиусе действия отдельных модулей данный стандарт может обеспечить теоретический охват до 65 000 узлов;
4. Высокий уровень безопасности.

Недостатки ZigBee:

1. Низкая скорость;
2. Недостаточная помехоустойчивость. ZigBee использует полосу 2,4 ГГц, которая также используется множеством других технологий и устройств.;
3. Затраты трафика. Весомая часть трафика тратится на передачу пакетов, содержащих служебную информацию;
4. Проблема несовместимости устройств. Слишком часто устройства ZigBee разных производителей несовместимы друг с другом из-за того, что технология имеет недостаточно высокий уровень стандартизации.

Z-Wave

Z-Wave представляет собой полностью беспроводную технологию, в основе которой лежит ячеистая сеть (mesh - сеть). Каждое устройство в сети Z-Wave является как приемником, так и передатчиком [2]. Для работы системы с помощью данного протокола в управляемые устройства встраиваются миниатюрные маломощные радиочастотные модули. Технология Z-Wave работает в диапазоне частот до 1 ГГц, однако в различных странах частота варьируется, что создаёт определённые накладки. Z-Wave реализует самоорганизующуюся ячеистую сеть (mesh сеть). Общий принцип самоорганизации и самовосстановления сети аналогичен ZigBee.

Преимущества Z-Wave:

1. Наибольшее количество инсталированных устройств в локальных системах интернета вещей;
2. Самоорганизация и самовосстановлению;
3. Взаимная совместимость устройств Z-Wave различных производителей. Это достигается благодаря сертификации консорциумом Z-Wave Alliance;
4. Помехоустойчивость. Отсутствие интерференции с многочисленными устройствами на 2.4 ГГц;
5. Безопасность. Реализуется набором протоколов S2;
6. Низкое энергопотребление.

Недостатки Z-Wave:

1. Невысокая скорость;
2. Разные диапазоны частот в разных странах;
3. Необходимость платежей Sigma Designs.

Bluetooth Low Energy (BLE)

Bluetooth Low Energy – это интеллектуальная и экономичная версия беспроводной технологии Bluetooth [3]. На сегодняшний день технология Bluetooth присутствует на всех мобильных платформах, BLE оснащается большинство новых устройств. Данная технология хорошо поддерживается и надёжна для ближних коммуникаций.

BLE может поддерживать быстрое установление соединения и передачу данных за время всего 3 мс. Это позволяет приложению всего за несколько миллисекунд установить соединение и отправить аутентифицированные данные, а затем быстро разорвать соединение.

BLE использует 32-битный адрес обращения на каждый пакет для каждого ведомого устройства, позволяя подключать миллиарды устройств. Технология оптимизирована для соединений точка-точка, при этом допускаются многоточечные соединения с использованием звездообразной топологии [3].

Преимущества BLE:

1. Широкая распространённость;
2. Высокая скорость передачи данных. Около 1 МБит/с;
3. Помехоустойчивость. BLE для работы использует частоту 2,4 ГГц. Также данной частотой пользуется большое количество других устройств. Bluetooth и BLE используют AFH, которая минимизирует помехи от других стандартов;
4. Безопасность. Для этого используется алгоритм AES-128 с блочным протоколом CCM;
5. Низкое энергопотребление. Устройство BLE большую часть времени проводит в спящем режиме. Когда происходит какое-либо событие, оно просыпается и передаёт короткое сообщение на шлюз, персональный компьютер или смартфон. Максимальное/пиковое потребление мощности составляет менее 15 мА, а среднее – около 1 мкА [3].

Недостатки BLE:

1. Радиус действия. В идеальных условиях он может достигать 100 метров, но в действительности часто ограничен помещением;
2. Невысокая проникающая способность в городской застройке;
3. Местонахождение устройства не определяется.

Заключение

Не все рассмотренные протоколы идеально подходят для реализации локального интернета вещей. У каждого протокола есть свои преимущества и недостатки, которые нужно учитывать при проектировании сети. Корректный выбор технологии связи устройств поможет успешно реализовать сеть интернета вещей дома, в офисе или в любом другом месте.

Список литературы:

1. Zigbee 101: руководство для начинающих // Хабр [Электронный ресурс]. Режим доступа – URL: https://habr.com/ru/post/535658 (дата обращения: 22.01.2021)
2. Z-Wave - новый стандарт в беспроводном дистанционном управлении // Z-Wave Russia - портал о беспроводном стандарте домашнего управления [Электронный ресурс]. Режим доступа – URL: https://www.z-wave.ru/o-z-wave/chto-takoe-z-wave/novyj-standart.html (дата обращения: 23.01.2021)
3. Gupta A., Mohammed  I. (перевод Иоффе Д.). Основы Bluetooth Low Energy // Электронный журнал «РадиоЛоцман». –  2017. –  № 01. – С. 46–49.