O Internetu věcí se začalo hovořit již před mnoha lety. Pojem IoT se stal poměrně silným mediálním lákadlem, ale o skutečných řešeních pro IoT jsme si mohli po určitou dobu nechat jen zdát. V posledních letech se však začínají krystalizovat použitelná řešení. Významnou kapitolou jsou bezdrátové technologie. Některé jsou vhodnější pro opravdu malá data na větší vzdálenosti, některé pro střední vzdálenosti v rozsahu několik stovek metrů, jiná jsou záležitostí skutečných PAN sítí a umožňují přenosy větších datových objemů.
Určitá řešení využívají standardní protokolovou sadu TCP/IP, jiná jsou vyvinutá na míru malým datům a používají vlastní přenosový protokol.
V české kotlině vzniklo jedno z těchto řešení již před deseti lety. Vyvinula jej jičínská firma MICRORISC a jedná se o bezdrátovou technologii IQRF.
Základní parametry technologie IQRF
Hardware
Bezdrátový přenos je zajištěn pomocí speciálních malých transceiverů o velikosti SIM karty. Na malém prostoru se nachází vše potřebné pro uskutečnění bezdrátového přenosu. V současné době je na trhu nejnovější řada TR-72D (případně TR-76D), která má lepší přenosové vlastnosti než sada předchozí.
TR-72D
Na desce se nachází mikrokontrolér, externí EEPROM, teplotní senzor (volitelně), anténa (volitelně – tištěná nebo pouze konektor na anténu), kontrolní LED (červená, zelená), 6 I/O pinů. Tento typ transceiveru je určen pro uchycení do SIM konektoru. Napájecí napětí je 3,1 – 5,3 V. Podrobnosti naleznete na webu technologie.
TR-76D
Na rozdíl od typu TR-72D je zde 12 I/O pinů, napájecí napětí 3,0 – 3,4 V, žádný teplotní senzor či indikační LED. Připojit jej ke zvolenému zařízení lze připájením. Další informace o tomto typu transceiveru najdete na webu technologie.
Software
Základem je operační systém, který je do transceiverů nahrán již ve výrobě. V současné době je možno upgradovat operační systém i samostatně. Jako další vrstva nad operačním systémem může být tzv. hardwarový profil, což je aplikace, která ovlivňuje funkčnost transceiveru. Pomocí hardwarového profilu je velmi snadné z transceiveru udělat řídicí prvek sítě – tzv. koordinátor – nebo z něj udělat podřízený prvek reagující na řídicí signály – tzv. nod.
Přizpůsobit chování transceiveru je dále možné pomocí tzv. Custom DPA Handler aplikace, která je psána v jazyce C, následně zkompilována a nahrána do transceiveru. Aplikaci si píší obvykle sami vývojáři, ale k dispozici jsou od výrobce desítky ukázkových příkladů, pomocí kterých lze například zjistit teplotu z externího teplotního či osvitového čidla nebo generovat PWM.
Jak pracovat s hardwarovými profily nebo s programovou nadstavbou Custom DPA Handler najdete na webu technologie v části How to start.
Vysílací pásmo
V České republice (a nejen zde) je transceivery IQRF pro přenos využíváno bezlicenční pásmo 868 MHz (volitelně 433 MHz). Transceivery je možno přizpůsobit požadavkům některých zahraničních států na vysílání v pásmu 916 MHz. V pásmu 868 MHz je možno využívat až 62 kanálů, jejichž šířka je 100 kHz.
Síťová topologie
Každá síť IQRF je řízena hlavním transceiverem, který se označuje jako koordinátor. Ten synchronním způsobem komunikuje s ostatními transceivery v síti, které se označují jako nody. Pokud je využíván protokol DPA, který umožňuje velmi snadné řízení transceiverů daty, je možno v síti mít až 239 nodů. Takto rozsáhlé sítě ve většině případů použití stačí, snadněji se řídí, lépe se zjistí případná chyba, a v případě výpadku některé části sítě není postižena tak velká oblast jako v případě větších sítí. V případě potřeby pokrytí větší oblasti se většinou používá větší množství menších sítí, které lze v případě potřeby propojit. Na webu technologie IQRF lze shlédnout řadu návodných videí, jak síť IQRF postavit a jak funguje.
Data v síti
Pokud je potřeba do sítě IQRF zaslat řídicí příkaz, ať už pro řízení nebo sběr dat, koordinátor jej odešle, a následně každý z nodů, který je součástí směrující sítě, signál opakuje. Protože jednotlivé nody opakují signál ve svém časovém intervalu, nedochází ke kolizím v těchto vysíláních a signál projde postupně celou sítí. Je doporučováno, aby každý nod byl v doslechu několika dalších sousedů v síti. Tato topologie se označuje jako mesh. Jedná se o poměrně robustní topologii odolnou proti okamžitému rušení či nenadálým překážkám. Pokud daný nod neslyší signál od jednoho souseda, uslyší jej v jiném čase od jiného.
Směrování
V síti IQRF řídí směrování protokol IQMESH. Není zde vypočítáván žádný směrový vektor, který se má použít pro odeslání dat. Jedná se o tzv. směrové synchronizované zaplavení. Během výstavby sítě je každému nodu přiděleno číslo – tzv. Virtual Routing Number (VRN) – které koresponduje s fyzickým umístěním nodu v síti. Nody, které jsou blíže koordinátoru, mají VRN nižší než nody, které jsou vzdálenější. Toto číslo určuje časový interval, ve kterém daný nod signál vysílaný v síti IQRF opakuje. Některé nody, které mají být pouhými koncovými zařízeními a nemají se podílet na směrování, signál neopakují. Pouze zasílají požadovaná data nebo se řídí zaslanými řídicími instrukcemi.
Dosah
Ve volném prostoru je možno dosáhnout vysílací vzdálenosti 500 m se základní tištěnou anténou na transceiveru. Je potřeba dodržet optimální umístění antény na zařízení. V budovách je prostupnost signálu logicky horší, závisí to na prostředí, a je nutno na zvoleném místě dosah prakticky změřit. I když je dosah signálu velký, nedoporučuje se dávat jednotlivé síťové prvky do maximální vzdálenosti. I když během úvodních testů sítě může vše fungovat správně, během následného běžného provozu mohou být přenosové podmínky horší a zařízení by se nemusela slyšet. Pro využití výhody mesh topologie je dobré umístit síťové prvky na doslech vždy několika dalších prvků a v dosahu si ponechávat rezervu. Pak i při zhoršených podmínkách bude síť spolehlivě prostupná.
Proudová spotřeba a napájení
Velikost proudové spotřeby závisí na tom, v jakém režimu transceiver pracuje a jak dlouho v něm setrvává. Podle těchto parametrů lze spočítat, jak dlouho daná baterie vydrží, pokud je transceiver napájen bateriově. Současně je potřeba brát v úvahu i životnost a samovybíjení zvolené baterie.
Napájecí napětí transceiveru je 3,0 – 5,3 V, závisí na typu transceiveru.
Režimy
Sleep mód: 2,9 μA (všechny periferie včetně RF obvodu jsou vypnuty)
Run mód:
- RF sleep: 1,6 mA
- RF ready: 3,0 mA
RX mód:
- STD: 12,3 mA
- LP: 234 μA
- XLP: 16 μA
TX mód: 8.3 mA – 19 mA (v závislosti na použitém vysílacím výkonu)
Přenosová rychlost
Transceivery IQRF umožňují přenášet data rychlostí 19,836 kb/s. Tato rychlost je pro řízení zařízení nebo přenos hodnot ze senzorů či stavů zařízení úplně dostačující. Není vhodná pro přenos velkých datových objemů – např. video soubory.
Uživatelská data v paketu a doba vysílání
Každý paket IQRF umožňuje přenášet až 64 bajtů uživatelských dat. Na množství těchto dat závisí délka vysílání daného paketu. Ta se pak pohybuje od 30 do 50 ms. Tento údaj je užitečné znát zejména pro výpočet doby, po kterou je síť obsazená vysíláním daného paketu. Pokud je např. v síti IQRF 100 směrujících nodů a každý z nich vysílá paket IQRF 50 ms, trvá 5 s odvysílání zprávy celou sítí. Pokud se jedná o sběr dat, musí se počítat i s cestou zpět.
Připojení do počítačové sítě
Síť IQRF se do počítačové sítě připojuje pomocí brány. Může se jednat o USB gateway, ethernetovou či GSM gateway nebo o specializované zařízení typu Raspberry Pi, Arduino, vývojovou desku ChipKIT či jiné zařízení. Více o výstavbě sítě IQRF a jejím připojení do počítačové sítě si povíme v dalším dílu.
