Rambler's Top100
 
Статьи
Дмитрий ОСЬКИН  07 сентября 2020

IoT в зданиях: требуется единая сеть доступа

При развертывании решений IoT в коммерческих зданиях компании сталкиваются со сложной, фрагментированной экосистемой стандартов, устройств и технологий. Эта сложность часто замедляет или останавливает проекты IoT из-за неопределенности возврата инвестиций.

Сегодня в комплексных проектах автоматизации зданий число устройств IoT – различных датчиков, маяков, исполнительных механизмов и т.д., подключаемых по беспроводным каналам, растет лавинообразно. Для их подключения могут служить технологии Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee, RFID, NFC, LoRa, NB-IoT, LTE cat. M и др. Без тщательного планирования (и эффективной интеграции) результатом такого подключения будет большое количество наложенных сетей и дублирование оборудования (кабельных систем, коммутаторов и пр.), средств обеспечения безопасности, систем мониторинга и управления. Подобная избыточность усложняет и удорожает проекты.

Кроме того, различные беспроводные технологии зачастую используют один частотный диапазон, что приводит к межканальным помехам, затрудняющим работу систем и приложений.

Основные технологии

Для подключения устройств IoT задействуется множество беспроводных технологий. Они существенно различаются по радиусу действия (площади покрытия) и скорости передачи данных (рис. 1), а также по специфике применения. К числу наиболее популярных относятся BLE, Zigbee и LPWAN (см. таблицу).

Рис. 1. Технологии, используемые для подключения устройств IoT

Технология Bluetooth хорошо известна даже неспециалистам, поскольку она реализована во всех современных смартфонах. Изобретенная в начале 90-х годов в Ericsson, Bluetooth была в 2002 г. стандартизована институтом IEEE в документе 802.15.1. Позже IEEE отказался от стандарта, и в настоящее время технология поддерживается организацией Bluetooth Special Interest Group. 

Устройства Bluetooth работают в частотном диапазоне от 2,4 до 2,485 ГГц (рис. 2). Существует два основных варианта этой технологии: Bluetooth Classic (1.x, 2.x) и Bluetooth Low Energy (BLE Smart, BLE 4.x, BLE 5.0). В обоих вариантах используется псевдослучайная перестройка рабочей частоты. Данные делятся на пакеты и в случае Bluetooth Classic передаются по одному из 79 каналов шириной 1 МГц каждый, а устройства Bluetooth Low Energy задействуют 40 каналов по 2 МГц. Сейчас в основном применяется вариант BLE.

Технология Bluetooth часто используется в так называемых маяках (beacon). Маяки отслеживают местоположение устройств с поддержкой этой технологии и при их приближении запускают приложения, которые передают на устройства данные, имеющие отношение к конкретному месту, например информацию об акциях близлежащего магазина. Основные протоколы для маяков предлагают Apple и Google.

Apple iBeacon – встроенный в iOS 7 протокол, который позволяет устройствам iPhones/iPads постоянно сканировать маяки BLE. Google Eddystone, ранее называвшийся UriBeacon, представляет собой протокол для маяков с открытым исходным кодом, которые могут быть изготовлены кем угодно. Ряд производителей маяков, например компания Kontakt.IO, поддерживают оба протокола, iBeacon и Eddystone, а также предлагают собственные протоколы для передачи телеметрических данных со своих маяков и тегов. 

Рис. 2. Частотные каналы, используемые Bluetooth, Bluetooth Low Energy, ZigBee и Wi-Fi 

Zigbee – это спецификация на основе стандарта IEEE 802.15.4 для набора высокоуровневых протоколов связи, поддерживаемых группой Zigbee Alliance. Технология предназначена для маломощных устройств с низкой пропускной способностью, которые обычно служат для сбора данных домашней автоматизации и медицинских данных. Работает на частоте 2,4 ГГц, но также может задействовать частоты 784 МГц (в Китае), 868 МГц (в Европе) и 915 МГц (в США и Австралии). Сетевой уровень Zigbee изначально поддерживает топологии «звезда» и «дерево», а также ячеистые (mesh) сети. С 2006 г. спецификация Zigbee предлагает полное взаимодействие между устройствами производителей, использующих библиотеку кластера Zigbee.

Устройства с поддержкой Zigbee – одни из самых популярных в мире IoT. Они широко применяются в системах измерения и индикации, «умного» освещения, отопления, вентиляции и кондиционирования, различных интеллектуальных замках, системах охраны и безопасности.

Таблица. Характеристики беспроводных технологий, используемых в системах IoT

В семейство LPWAN входят различные технологии для территориально распределенных сетей (WAN) с низким энергопотреблением конечных устройств (Low Power, LP). Эти сети работают как в лицензируемом (NB-IoT и LTE cat. M), так и в нелицензируемом частотных диапазонах. К наиболее распространенным системам, которые используют нелицензируемые частоты, относятся системы LoRa (что означает Long Range). Все решения LPWAN характеризуются:
  • большим радиусом действия (несколько километров в городе, десятки километров вне города);
  • низким энергопотреблением конечных устройств;
  • низкой скоростью передачи данных (несколько килобит в секунду).
Типичное применение технологий LPWAN – подключение счетчиков ЖКХ. Чтобы собирать информацию о потреблении воды, электричества и газа, достаточно передавать данные один раз в день или даже в несколько дней.

На пути к единой инфраструктуре

В идеале все эти сети должны быть способны работать в одной конвергентной инфраструктуре. В зданиях такое объединение оптимально реализовать на базе хорошо знакомых корпоративным заказчикам сетей Wi-Fi. Вместо того чтобы пытаться управиться с «зоопарком» из нескольких различных новых инфраструктур, нужно иметь возможность использовать архитектуры управления и безопасности, действующие в сети Wi-Fi, для всех беспроводных устройств IoT независимо от радиотехнологии их подключения. При этом важно иметь единый интерфейс управления как беспроводным сегментом сети (точками доступа), так и проводным сегментом (коммутаторами и контроллерами точек доступа), что сделает мониторинг и управление всей сетью удобным и прозрачным.
 
Конвергентная сеть доступа IoT должна максимально использовать уже имеющиеся проводные и беспроводные сетевые инфраструктуры. Это позволит задействовать существенно меньше портов коммутаторов, а также сократить число элементов кабельных систем, обеспечив значительную экономию средств. Физическая инфраструктура станет не только дешевле, но и проще, что облегчит эксплуатацию и повысит надежность.

Как создать такую конвергентную сеть? Один из вариантов – наделить точки доступа Wi-Fi средствами поддержки других радиотехнологий, используемых устройствами IoT, например, широко распространенных BLE и Zigbee. Такая поддержка может быть реализована как непосредственно в платах точек доступа Wi-Fi, так и с помощью устанавливаемых в них дополнительных модулей. Это превратит точки доступа Wi-Fi в интегрированные узлы с функционалом соответствующих шлюзов – BLE или Zigbee.

Ряд новейших моделей точек доступа, которые работают по технологии 802.11ax (Wi-Fi 6), благодаря наличию внешних USB-адаптеров можно считать конвергентными устройствами, способными обеспечить совместимость с новыми беспроводными технологиями (которые уже разработаны или появятся в будущем). Например, с помощью установки внешнего USB-модуля можно реализовать поддержку радиопротокола Z-Wave, широко используемого сейчас в системах домашней автоматизации.

Поддержка Wi-Fi, BLE и Zigbee одним узлом также поможет минимизировать помехи в сильно загруженном диапазоне 2,4 ГГц, в котором работают все эти технологии (см. рис. 2). Такая минимизация требует специальных мер на всех уровнях. На физическом уровне это можно сделать на этапе проектирования конвергентных точек доступа с использованием встроенных механизмов чипов. На более высоких уровнях могут применяться специализированные программные алгоритмы и технологии. Также следует задействовать специальные средства организации радиоканалов, радиопланирования и пр.

Если на начальном этапе поддержка той или иной радиотехнологии в едином узле доступа не оправдана технологически или экономически, можно обеспечить единое управление на уровне контроллера. Например, для работы с технологией LoRa в контроллер IoT можно встроить центральный сервер сети LoRaWAN, который будет принимать решения о необходимости изменения скорости передачи данных конечными узлами, мощности передатчика, выборе канала передачи, ее начале и продолжительности, контролировать заряд батарей конечных узлов, т.е. полностью контролировать сеть и управлять каждым абонентским устройством в отдельности. Помимо преимуществ общего управления такой подход обеспечит единую точку интеграции для сопряжения с другими системами, что чрезвычайно важно для развития приложений и сервисов IoT. Подключать такие сервисы можно через открытый прикладной интерфейс (Open API) контроллера IoT.

Еще одно преимущество конвергентной сети доступа для IoT-устройств, работающих по разным радиотехнологиям, – возможность построения эффективной системы безопасности с единой политикой. При реализации подобной системы важен комплексный подход, обеспечивающий физическую безопасность, эффективную идентификацию и аутентификацию конечных устройств (например, с использованием цифровых сертификатов), а также шифрование и изолирование трафика. В частности, для точек доступа IoT и контроллера целесообразно использовать отдельную виртуальную локальную сеть (VLAN), а весь не-IoT трафик держать отдельно – например, для трафика Wi-Fi выделить свою сеть VLAN.

По мере того как к сети будет подключаться все больше и больше устройств IoT, традиционная инфраструктура WLAN или LAN будет дополняться или заменяться с целью построения универсальной сети доступа, которая соединит все устройства IoT в пределах ограниченной территории, такой как университетский кампус или офисное здание. Сеть доступа IoT объединит несколько сетей физического уровня в единую конвергентную сетевую инфраструктуру. Эта общая сеть упростит подключение устройств IoT, установит единые протоколы безопасности, объединит управление такими устройствами и настройку политик. 

Создание сетей доступа IoT на основе имеющейся инфраструктуры LAN и WLAN сократит время развертывания, упростит и унифицирует мониторинг и управление сетью за счет единого интерфейса управления беспроводными точками доступа и проводными коммутаторами. В результате снизятся затраты на поддержку нескольких решений IoT, что позволит строить решения, конкурентоспособные как по техническим, так и по экономическим показателям. 

Дмитрий Оськин, технический эксперт, CommScope
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!