unwired devices — Технологии Интернета вещей
TRANSCRIPT
2016
Технологии«Интернета вещей»
Олег АртамоновГенеральный директор Unwired Devices LLC
БАЗОВЫЕ АРХИТЕКТУРЫ
ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ—
ЭТО ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВЯЗИ ТАМ,ГДЕ РАНЬШЕ ЭТО БЫЛО
НЕВОЗМОЖНОИЛИ
ЭКОНОМИЧЕСКИ НЕЭФФЕКТИВНО
Интернет вещейОбычный интернет:
• Взаимодействие человек-человек
• Межмашинное взаимодействие использует протоколы, специфичные для двух конкретных устройства
Интернет вещей:
• Взаимодействие человек-машина и машина-машина
• Межмашинное взаимодействие использует стандартные, открытые для сторонних подключений протоколы
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ
Управление уличным освещением
6LoWPAN ячеистая сеть 3G или LoRa
Уличный узел управления
Самоформирующаяся и само-поддерживающаяся ячеистая сеть
Передача данных для других устройств
Туманные вычисления
Простое развертывание сети
Статистика работы ламп и сети, сообщения о неполадках лампИнтеграция с существующими
системами
Безлицензионный диапазон 868 МГц
Вкл, выкл, диммирование, расписание
Ограничение мощности ламп
Умный город: комплексная система
Датчик заполнения контейнера ТБО
Сеть LoRa или 3G
Передатчик 3G/LoRaПриёмник 6LoWPAN
Сеть 6LoWPAN
Датчик качества воздуха
Управляемая лампа
Сеть 6LoWPAN
Сеть 6LoWPAN
Управляемая лампа
Управляемая лампа
В отличие от традиционных АСУНО, беспроводная ячеистая сеть может использоваться для сбора данных с различных типов датчиков, включая датчики дорожного трафика, состояния окружающей среды, заполнения мусорных контейнеров, датчики контроля доступа и другие.
Управляемая лампа
Датчик дорожного трафика
Умный город: комплексная системаПолучение информации с датчиков в режиме, близком к реальному времени, позволяет управляющим компаниям оптимизировать свою работу и с опережением реагировать на возможные нештатные ситуации
Уличная лампа: образец
Мощность от 40 до 300 Вт, 4000 – 32000 лм
Возможность подключения внешних датчиков
Светодиоды Philips с линзами LEDIL
Встроенный модуль сети 6LowPAN или LoRa
Корпус из анодированного алюминия
Простота установки и обслуживания
В сотрудничестве с компанией «Зелёная лампа». Больше моделей ламп — на greenlamp.pro
120 лм/Вт, дизайн запатентова
Сбор информации со счётчиков
Лучшее покрытие сети внутри здания
Различные типы каналов передачи данных
Упрощение управления сетью
Сеть LoRa или 3GАнтенна на крыше здания
Ячеистая сеть 6LoWPANВнутри здания
Ячеистая сеть 6LoWPAN
Различные типы счётчиковСо встроенным или внешним модемом 6LoWPAN
Лучшее расположение антенны
Интеграция с инфраструктурой «умного дома» и «умного офиса» на базе 6LoWPAN
Диапазоны 2450 МГц или 868 МГц
Удалённый контроль счётчиков: калибровка, проверка исправности, контроль пломбировки
Интеграция с другими типами датчиков (например, контроля доступа)
Адаптивное офисное DC освещение
230 VAC линия
AC-DC блок питания
DC LED лампыБез блоков питания
48 VDC питание
DC диммер с радио
Питание LED
Индивидуальные датчики освещенности и диммеры
Автоматическая регулировка яркости
Упрощение монтажа
Высокая электробезопасность
Адаптивное офисное освещение• Постоянный уровень освещенности рабочего места• Автоматическое диммирование в зависимости от яркости естественного освещения • Экономия электроэнергии до 45 %• Портативные датчики освещенности и диммеры с питанием от батарейки
7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:000%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
Естественное освещение Адаптивное искусственное освещение
дождьсолнечнорассвет облачно закат
Умная и экономная парковкаLED-лампы
С интегрированными Bluetooth-маяками
Ультразвуковые датчикиДо 4 датчиков на лампу
Датчики окружающей средыCO, CO2, другие газы, температура, влажность
• Оптимизация отопления и освещения парковки
• Дополнительный сервис: «Найди мою машину»
• Интеграция датчиков со светодиодными лампами освещения
• Нет нужды в слаботочной проводке
Умное сельское хозяйство
• Мониторинг влажности почвы
• Мониторинг теплиц: влажность почвы и воздуха, содержание CO2, освещённость
• Автоматическое управление климатом
Оптимизация полива на открытых почвах, повышение энергетической эффективности в теплицах
Умное сельское хозяйство• Мониторинг хранилищ
• Температурный мониторинг кагатов: определение начала гниения до самовозгорания кагата
Предупреждение порчи зерновых, овощей и корнеплодов за счёт точного мониторинга температуры в реальном времени, в том числе — внутри многометровой толщи.
Мониторинг в животноводстве
• Температура тела
• Двигательная активность
• Частота и длительность кормления
Автоматический мониторинг состояния крупных животных — раннее обнаружение заболеваний, достоверное определение периода охоты, отслеживание изменений в поведении при изменении корма, пастбища, условий и т.п.
Замена проводных систем КИПиА
• Резкое удешевление систем за счёт отказа от слаботочных проводных линий
• Мониторинг устройств, технически недоступных для подведения проводных линий
• Сбор данных с больших площадей, вплоть до десятков квадратных километров
Мониторинг подвижных объектов
• Мониторинг в реальном времени транспортной, строительной, карьерной техники
• Мониторинг параметров работы, включая температуры, вибрацию, энергопотребление, расход жидкостей, давление и так далее
• Предсказание отказов на основании данных мониторинга
• Отложенный мониторинг: снятие данных при заезде техники в депо / цех / стоянку
Системы мониторинга ЛЭП• Напряжение: локализация обрывов и краж проводов
• Электромагнитные помехи: локализация коронных разрядов на изоляторах
• Натяжение или угол наклона провода: локализация обледенения
Датчики с автономным питанием устанавливаются каждые 1-3 км.
Главная проблема — передать данные с них диспетчеру.
Системы мониторинга ЛЭП• GPRS/3G: дорого и не везде есть
• Оптическая линия: очень дорого
• PLC: требует электрического подключения к проводу ЛЭП
• Радиорелейная сеть на базе LoRa:– Дёшево и надёжно– Работает от солнечных батарей– Не требует подключения к проводам ЛЭП
Базовая станция
интернет
Пункты мониторинга на опорах ЛЭП
LoRaLoRa
LoRa
LoRa
LoRa
1-3 км
ТЕХНОЛОГИИ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ
Технологии связи в IoT
Для потребительских
устройств
Ближнего радиуса(< 1 км)
Дальнего радиуса(1-50 км)
Wi-FiBluetooth
Z-WaveZigBee
6LoWPANThread
SigfoxСтрижLoRa
LTE-M
Низкое энергопотреблениеТопология «ячеистая сеть»
Высокая скоростьНевысокая дальность
Топологии «звезда» или «точка-точка»
Низкое энергопотреблениеОчень высокая дальность
Топология «звезда»
Ячеистые сети
Граничный маршрутизатор
IPv4/IPv6Ethernet/Wi-Fi
Узел
IPv6радиоканал
Сеть6LoWPAN
Гетерогенные сети
Пограничный маршрутизаторLoRa
сетьIPv6
RF Mesh 6LoWPANсеть
IPv4/IPv6Ethernet/Wi-Fi
узел
LoRa узел
Wi-Fi
• Разрабатывался для мультимедиа-данных• Очень высокая скорость• Низкая дальность• Очень высокое энергопотребление• Небольшое количество клиентов на одном роутере• Диапазон 2450 МГц и выше• Топология «звезда»• Попытки пристроить в IoT: ESP8266, QCA 4002 и другие
решения класса «Wi-Fi на батарейках», ячеистые сети
Bluetooth
• Разрабатывался для аудиоданных• Высокая скорость• Низкая дальность• Компромисс между скоростью, дальностью и
энергопотреблением (Bluetooth Low Energy)• Только 2450 МГц• Топология «точка-точка»• Максимум 7 устройств
ТЕХНОЛОГИИ БЛИЖНЕЙ СВЯЗИ
Технологии ближней связи• Дистанции масштаба 2…200 м
• Технологии ячеистых сетей для покрытия большой территории
• Области применения — от умного дома до умного здания
Z-Wave
• Все уровни закрыты• Требуется лицензия• 100-% совместимость
• SoC на базе Intel 8051• Только 868 МГц• Максимум 4 хопа• Маршрутизация source routing868 МГц
Проприетарный
Проприетарный
Проприетарный
PHY
MAC
NET
APP
ZigBee
• Все уровни открыты• Лицензия не требуется• Приложения — частичная
совместимость
• Любые SoC, включая Cortex-M• Диапазоны 868 МГц и 2450 МГц• Глубина сети — до 30 хопов868 МГц
2450 МГц
IEEE 802.15.4
Открытый
Открытый
PHY
MAC
NET
APP
6LoWPAN
• Все уровни открыты• Лицензия не требуется• Приложения — не стандартизированы• MAC-адреса, IP-адреса, сокеты• Стыковка с обычными IP-сетями
• Любые SoC, включая Cortex-M• Диапазоны 868 МГц и 2450 МГц• Глубина сети — более 200 хопов
868 МГц2450 МГц
IEEE 802.15.4
IPv6
PHY
MAC
NET
APP
Thread
• Уровень приложений поверх 6LoWPAN
• Практически нулевая поддержка в индустрии
868 МГц2450 МГц
IEEE 802.15.4
IPv6
Проприетарный
PHY
MAC
NET
APP
ТЕХНОЛОГИИ ДАЛЬНЕЙ СВЯЗИ
Технологии дальней связи• Дистанции масштаба 1…20 км
• Сети топологии «звезда»
• Глобальные сотовые сети для покрытия масштаба мегаполиса
• Области применения — городское и сельское хозяйство, промышленность
Три технологии на рынке СНГ
Чип
Протокол связи
Базовая станция
Конечные устройства
Сеть передачи данных
Чип
Протокол связи
Базовая станция
Конечные устройства
Сеть передачи данных
Чип
Протокол связи
Базовая станция
Конечные устройства
Сеть передачи данных
Система управления
Система управления
Система управления
Основные параметрыLoRa
(Semtech)SigFox Marcato 2.0
(Стриж)
Тип сигнала Широкополосный(125 или 250 кГц)
Узкополосный UNB(100 Гц)
Узкополосный UNB(100 Гц)
Излучаемая мощность 25 мВт 25 мВт 25 мВт
Скорость передачи данных От 50 бит/сдо 37,5 кбит/с
100 бит/с 100 бит/с*
Двунаправленная связь Полудуплекс С ограничениями Полудуплекс*
Расстояние связи До 30 км До 30 км До 30 км*
Расстояние связи в городе 1-8 км 1-8 км 1-8 км*
Число абонентов одной базовой станции
Десятки тысяч Десятки тысяч Десятки тысяч*
* — компания не публикует детальные данные, которые позволили бы точно определить реальные характеристики оборудования, в открытом доступе
Использование радиочастотного спектра
500 кГц (868,7 — 869,2 МГц)
500 кГц (868,7 — 869,2 МГц)
Канал 1 Канал 2 Канал 3
LoRa — три канала по 125 кГц
Узкополосные системы — тысячи каналов по 100 Гц
Разделение устройств в LoRa1. Частотное разделение (FDMA) — возможно, но практически не используется2. Временное разделение (TDMA) — широко используется3. Кодовое разделение (CDMA) — широко используется
1
23
Радиотракт
r1
r2 r3
Демодулятор CDMA
Демодулятор CDMA
Демодулятор CDMA
Цифровой интерфейс
Один чип Semtech SX1301или несколько SX127x
Несколько устройств на одной частоте, но с разной модуляцией
Разделение устройств в UNB-системах1. Частотное разделение (FDMA) — широко используется2. Временное разделение (TDMA) — широко используется3. Кодовое разделение (CDMA) — невозможно
1
23
Радиотракт
f1
f2 f3Демодулятор Цифровой
интерфейс
На выходе обычного демодулятора сигналы сложатся, образуя кашу
GARBAGE IN — GARBAGE OUT
Несколько устройств на разных частотах одновременно
Разделение устройств в UNB-системах1. Частотное разделение (FDMA) — широко используется2. Временное разделение (TDMA) — широко используется3. Кодовое разделение (CDMA) — невозможно
1
23
Радиотракт
f1
f2f3
Демодулятор Цифровой интерфейс
Несколько устройств на разных частотах одновременно
Радиотракт
Радиотракт Демодулятор
Демодулятор
Многоканальный программируемый приёмник с быстрой перестройкой частоты
Разделение устройств в UNB-системах1. Частотное разделение (FDMA) — широко используется2. Временное разделение (TDMA) — широко используется3. Кодовое разделение (CDMA) — невозможно
1
23
Радиотракт
f1
f2 f3Демодулятор Цифровой
интерфейс
Цифровой приёмник со спектральным анализом радиосигнала в реальном времени
БПФ
Несколько устройств на разных частотах одновременно
Демодулятор
Демодулятор
Проблема точной частоты• Кварцевый резонатор — ±(10±15) ppm — ±(0,001±0,0015) % — $0,25• Термокомпенсированный генератор (TCXO) — ±1 ppm — $1• Прецизионный TCXO — ±0,2 ppm — $45
±0,0025 % от 868 МГц = ±21,7 кГц
125 кГц
Ожидаемая частота Реальная частота
LoRa UNB
Ожидаемая частота Реальная частота
21,7 кГц21,7 кГц 0,1 кГц
Проблема точной частоты в UNB-системах
• Погрешность установки частоты в сотни раз больше ширины канала
• Мы не знаем, на какой частоте выйдет в эфир абонентское устройство
• Мы не знаем, на какой частоте оно ожидает ответ от базовой станции
• Базовая станция обязана иметь широкополосный приёмник
• Точное и предопределённое разделение множества абонентских устройств по частотам невозможно
• Базовая станция должна вычислять, на какой частоте вышло в эфир абонентское устройство
• Базовая станция должна отвечать абонентскому устройству на той же частоте
Классы абонентских устройств
A
B
C
Передаём информацию — потом N секунд слушаем ответ БСLoRa: режим поддерживаетсяUNB: режим поддерживается
Слушаем БС по расписаниюLoRa: режим поддерживаетсяUNB: с большими оговорками
Слушаем БС непрерывноLoRa: режим поддерживаетсяUNB: с большими оговорками
Скорость и помехозащищённость
S = W × log2(1 + P/WN0)
S — скорость передачи данных, бит/сW — ширина канала передачи, ГцP — мощность сигнала в канале приёмника, ВтN0 — плотность шума в канале приёмника, Вт/Гц
Предел Шеннона
Скорость и помехозащищённость
S = W × log2(1 + P/WN0)LoRa UNB
• Мощная узкополосная помеха и слабая широкополосная влияют одинаково
• Две соседние БС, работающие на одной частоте, создают друг для друга широкополосную помеху
• При использовании ПСПЧ абонентское устройство может уйти от узкополосной помехи
• Широкополосная помеха на абонентское устройство влияет слабо
• Как влияют помехи на БС с широкополосным приёмником — зависит от реализации БС
Скорость и помехозащищённость
S = W × log2(1 + P/WN0)
• При SNR=0 дБ обе технологии имеют сравнимые ограничения (~100 бит/с)
• При SNR=60 дБ технология UNB имеет теоретический предел 2 кбит/с
• Уже при SNR=30 дБ технология LoRa имеет теоретический предел 100 кбит/с
• На практике LoRa поддерживает скорости до 50 кбит/с 0 10 20 30 40 50 60
100
1000
10000
100000
1000000
10000000
Предел Шеннона для технологий UNB и LoRa
UNB 100 Гц LoRa 125 кГц
Отношение сигнал/шум, дБ
Пред
ел Ш
енно
на, б
ит/с
Энергопотребление
• Обратно пропорционально времени, проводимому в эфире
• Время в эфире = объём данных / скорость
• LoRa сильно выигрывает у UNB на небольших дистанциях
• LoRa немного проигрывает UNB на больших дистанциях из-за длинной преамбулы
0 10 20 30 40 50 60100
1000
10000
100000
1000000
10000000
Предел Шеннона для технологий UNB и LoRa
UNB 100 Гц LoRa 125 кГц
Отношение сигнал/шум, дБ
Пред
ел Ш
енно
на, б
ит/с
Защита данных• Традиционные схемы шифрования (DTLS, IPsec) ресурсоёмки и неэффективны
• Защита от прослушивания — шифрование пользовательских данных
• Защита от подделки пакетов — подпись пакета
• LoRaWAN: ключ шифрования, индивидуальный для каждого устройства
Преамбула Подпись Сетевой заголовок Пользовательские данные Контрольная сумма
подписано
зашифровано
Бизнес-модели: сеть LPWAN
• Множество базовых станций
• Сплошное покрытие больших территорий — включая мегаполисы
• Оператор сети и владельцы конечных устройств — разные люди
• Требуется центральный сервер управления сетью
Конечное устройство
Зона покрытия БС
LoRa SigFox Стриж
Бизнес-модели: локальная сеть
• Одна базовая станция
• Покрытие одного объекта: завода, бизнес-центра, микрорайона
• Владелец конечных устройств является оператором сети
• Центральный сервер управления сетью не требуется
Конечное устройство
Зона покрытия БС
LoRa SigFox Стриж
Бизнес-модели: радиорелейная сеть
• Базовые станции не требуются
• Передача низкоскоростной телеметрии вдоль протяжённых объектов: трубопроводов, ЛЭП, железных дорог
• Организация большой сети покрытия с низкой плотностью абонентов
• Владелец конечных устройств является оператором сети
• Центральный сервер управления сетью не требуется
Конечное устройство
LoRa SigFox Стриж
