Анализ технологий сенсорных сетей

метки: Сенсорный, Устройство, Уровень, Датчик, Стандарт, Информация, Режим, Технология

На протяжении всей истории развития человечества прослеживается четкая тенденция — сделать окружающую среду комфортнее и безопаснее.

Чтобы этого добиться, во многих областях жизнедеятельности требуется решение задач по сбору данных, поступающих от большого числа датчиков, для обеспечения реакции на выявленные и/или зафиксированные события. Например, для создания комфортных условий в квартире или офисе необходимо фиксировать присутствие человека, контролировать температуру, влажность воздуха, содержание кислорода, освещенность и, оперируя этими данными, изменять мощность обогревателя, включать/выключать освещение, регулировать его интенсивность, управлять увлажнителем воздуха и т.д.

Чтобы этот и подобные ему процессы происходили автоматически, необходимо обеспечить обмен информацией между всеми участвующими в нем устройствами. Для этого требуется создать единую сеть датчиков (чувствительных элементов, сенсоров) и исполнительных устройств, зачастую произвольным образом рассредоточенных в пространстве. Очевидно, что традиционная проводная сеть может быть использована для решения только узкого круга подобных задач в ограниченном пространстве. Например, для интеллектуализации дворовых территорий с меняющейся обстановкой она практически неприемлема в силу очевидных причин: такая сеть будет слишком затратной, энергоемкой, потребует трудоемкого обслуживания, станет мало пригодной для миниатюризации и будет иметь зафиксированную на стадии проектирования и монтажа топологию.

Беспроводная сеть позволяет снять эти ограничения. Таким образом, в конце ХХ века К. Пистером (Kristofer Pister), профессором электромеханики из калифорнийского университета Беркли, США была сформулирована концепция «умной пыли» (smart dust) — системы, состоящей из произвольного конечного множества электромеханических пылинок или мотов (mote), способных обмениваться информацией в произвольной пространственной конфигурации. Воплощение этой концепции на практике привело в дальнейшем к появлению беспроводных сенсорных сетей (БСС), которые часто называют просто сенсорными сетями.

Беспроводная сенсорная сеть (WSN — Wireless Sensor Network) — это распределенная самоорганизующаяся устойчивая к отказам отдельных элементов сеть, состоящая из множества необслуживаемых и не требующих специальной установки мотов, объединенных посредством радиоканала.

В настоящее время существует большое разнообразие беспроводных сетей, которые нашли свое применение в той или иной области. По прогнозам ведущих экспертов в области телекоммуникаций до 7 триллионов мотов будет эксплуатироваться в мире к 2017-2020 годам.

Телекоммуникации, телекоммуникационные сети различного типа, ...

... телекоммуникационных сетей других типов. К телекоммуникационным сетям в настоящее время можно отнести: телефонные сети; радиосеть; телевизионные сети; компьютерные сети. Во всех этих сетях предоставляемым клиентам ресурсом является информация. Вид телекоммуникационной сети Вид услуг Вид представления информации Телефонные сети ...

Выйдя из академических лабораторий, сенсорные сети стали объектом интереса множества разработчиков, что привело к появлению нескольких промышленных стандартов, не обеспечивающих взаимодействия между оборудованием различных производителей.

Основные работы в области стандартизации протоколов, используемых в сенсорных сетях, проводятся Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE), Международным союзом электросвязи (ITU), Инженерным советом Интернета (IETF) и Международной организацией по стандартизации (ISO).

Результатом работ по стандартизации БСС стало семейство беспроводных стандартов IEEE 802.15.4, регламентирующих в рамках сетевой 7-уровневой модели OSI только физический (PHY) и канальный (DLL) уровни. Сетевой и прикладной уровни оставлены неопределенными.

Стандарт IEEE 802.15.4 ориентирован на создание сетей для управления и мониторинга автономных устройств с низким энергопотреблением. На его основе могут быть построены самые разнообразные сети всевозможных топологий с пакетной или потоковой передачей информации, а также различными уровнями и параметрами безопасности.

Для поддержки и развития стандарта IEEE 802.15.4, а также обеспечения взаимной совместимости устройств в полном наборе семи сетевых уровней (сетевом, транспортном, сеансовом, а также на уровнях представления и приложений) был образован корпоративный консорциум ZigBee. Его целью стало создание и развертывание мониторинговых и управленческих сетей на базе стандарта IEEE 802.15.4 в рамках коммерческого альянса.

Как показывает опыт развития информационно-коммуникационных технологий и Интернет, по настоящему массовое развитие и внедрение технологий возможно только на основе открытых стандартов.

Процесс развития IP-сетей привел к формированию в Инженерном совете Интернета (IETF) рабочей группы 6LoWPAN для решения проблемы передачи поверх каналов IEEE 802.15.4 пакетов IPv6 способом, удовлетворяющим открытым стандартам и предоставляющим взаимодействие с другими IP-каналами и устройствами.

Появление рабочей группы 6LoWPAN стало откликом на концепцию «Интернет вещей» (Internet of Things) — концепцию создания сети физических объектов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом и внешней средой. Эта концепция была сформулирована в результате осмысления перспектив массового применения средств радиочастотной идентификации (RFID).

Она рассматривает организацию «сетей вещей» как явление, способное перестроить в XXI веке социально-экономические процессы путем исключения участия человека в рутинных процессах обеспечения жизнедеятельности.

В последние годы ZigBee были разработаны IP-спецификация, а также спецификация RF4CE и целый ряд предметно-ориентированных прикладных решений. Однако проблема ZigBee-сертификации по-прежнему носит сдерживающий характер.

Вместе с тем существующий уровень стоимости БСС порядка 150 $/узел пока далек от предсказанного К. Пистером значения 0,1 $/узел. А энергопотребление — от 10 нДж/бит.

Не решен до конца целый ряд других проблем.

Так традиционные методы сетевой временной синхронизации неприемлемы в БСС, где существует только один критерий качества алгоритма временной синхронизации — наименьшее энергопотребление мота.

Разработка инфокоммуникационной сети с использованием технологий ...

... беспроводными локальными сетями и глобальными сетями типа Интернет. Стандарт IEEE 802.16 (январь 2003 г.) изначально был разработан для организации работы беспроводных сетей ... систем WiMAX, являются вопросы регулирования спектра, так как развитие рынка услуг WiMAX напрямую зависит от выделения операторам необходимого частотного ресурса. Сегодня наиболее перспективными сточки зрения будущего развития ...

Выбор алгоритма маршрутизации — один из самых сложных вопросов, решаемых при проектировании сенсорной сети. Традиционные протоколы не подходят для самоорганизующихся пакетных радиосетей, поскольку сильно зависят от периодических служебных сообщений. С ростом размера сети экспоненциально увеличивается число возможных маршрутов, что требует частых и значительных обновлений служебной информации.

Необходимость самоорганизации БСС требует разработки эффективных алгоритмов моделирования сетей перед их развертыванием.

Поэтому проходят многие годы, прежде чем удивительные технологии, поразившие воображение и наделавшие много шума в СМИ, входят в нашу повседневную жизнь. Некоторые из них так и уходят в небытие, не найдя свой путь на массовый рынок. Известная исследовательская и консалтинговая компания Gartner в своем последнем ежегодном отчете «Цикл зрелости технологий — 2013» (Emerging Technologies Hype Cycle), известном также как «Цикл шумихи», прогнозирует выход технологий «умной пыли» и «Интернет вещей» на «плато продуктивности», т.е. на уровень массового применения в течение 5-10 лет.

Целью настоящей дипломной работы является раскрытие проблем развития и массового применения беспроводных сенсорных сетей, а также поиск путей их решения.

История развития сенсорных сетей

Вопросы создания беспроводных сенсорных сетей являются сравнительно новым и пока еще формирующимся комплексным исследовательско-технологическим направлением. Как и для любого другого комплексного направления научно-технического прогресса в основе создания БСС лежит несколько предпосылок. Некоторые из них упомянуты во введении. Это — концепции «умной пыли» (Smart dust), «Интернета вещей» (Internet of Things), сюда же можно отнести вопросы создания беспроводных персональных вычислительных сетей (WPAN — Wireless Personal Network), систем радиочастотной идентификации (RFID — Radio Frequency IDentification), микроэлектромеханических систем (MEMS — Micro-Electro-Mechanical Systems).

Прототипами современных БСС можно считать также некоторые распределенные военно-технические системы, созданные в 1970-1980 г.г., например, систему СОСУС (SOSUS — SOund SUrveillance System).

Эта глобальная система звукового наблюдения предназначалась для обнаружения и идентификации советских подводных лодок и наряду со стационарными подсистемами включала в себя гидроакустические буи, сбрасывавшихся в районе поиска с противолодочных вертолетов НАТО и передававших данные наблюдений в центр обработки информации по радиоканалам.

Своеобразным рубежом в истории создания БСС стал 2003 г., когда была опубликована первая версия стандарта IEEE 802.15.4. Поэтому историю БСС можно разбить на два больших этапа:

• первый — до появления первой версии стандарта IEEE 802.15.4;
• второй — реализация и модификация стандарта IEEE 802.15.4 и беспроводных систем на его основе.

1.1 Период до 2003 года

С начала 1990-х годов Управление перспективных исследований Министерства обороны США (DARPA) начало финансирование ряда программ, целью которых являлась разработка микроминиатюрных датчиков, снабженных радиоволновыми устройствами связи. Результаты, полученные при выполнении одной из этих программ «Маломощные беспроводные интегральные микродатчики» (Low Power Wireless Integrated Microsensors), послужили основой для развертывания последующей программы «Беспроводные интегральные сетевые датчики» (Wireless Integrated Network Sensors).

Защита информации в телефонных сетях

... акустических и других излучений устройств и линий связи, а также наводок активных излучений на вспомогательные технические средства, непосредственно не участвующие в обработке информации (телефонные линии, сети питания, отопления и ...

Эта программа также финансировалась по линии Исследовательской лаборатории Армии США и выполнялась Калифорнийским университетом (г. Лос-Анджелес) совместно с научным центром американской фирмы Rockwell.

На основе обобщения ранее полученных результатов в 1998 г. управлением DARPA была начата программа «Tactical Sensor Program», направленная на создание микроминиатюрных автономных датчиков (Micro Unattended Ground Sensors) для систем военно-тактического назначения. Для повышения эффективности внедрения технологии MEMS в новые разработки в конце 1999 г. Отдел электронных технологий (Electronic Office) DARPA был реорганизован в Отдел технологий микросистем (MEMS Office).

В 1999 г. управление DARPA начало финансирование четырехлетней программы «Беспроводной датчик со сверхнизкой потребляемой энергией» (Ultra Low Power Sensor).

Программа выполнялась группой исследователей Массачусетского технологического института под руководством Ч. Содини. Аппаратурную реализацию сконструированных устройств на технологической базе радиоэлектронных интегральных схем осуществляла всемирно известная фирма Analog Devices (г Норвуд, шт. Массачусетс).

Эта программа была ориентирована на разработку комбинированного устройства, состоящего из кремниевого матричного преобразователя изображения, интегрированного с микроминиатюрным радиопередатчиком. Скорость потока передаваемой информации по радиоканалу этого устройства была задана в диапазоне от 1 бит/с до 1 Мбит/с. Мощность, потребляемая устройством в целом, была ограничена диапазоном значений от 10 мкВт до 10 мВт. Микроминиатюризация этого устройства столкнулась с рядом трудностей. В первую очередь, ограничивающим фактором стали габариты приемопередающих радиоантенн. Для достижения приемлемых размеров антенн потребовался миллиметровый диапазон радиоволн. Однако при этом мощность радиопередатчика и устройства преобразования сигнала выходила за рамки допустимых ограничений.

Альтернативной концепцией связи датчиков MEMS на расстояниях прямой видимости стало использование лазерной пространственной коммуникационной оптики, работающей в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах излучения. Предпочтение оптической связи при создании микроминиатюрных автономных датчиков было отдано в программе «Умная пыль» (Smart Dust), выполнявшейся по заказу DARPA в Калифорнийском университете г. Беркли, США.

В этих разработках, несмотря на зависимость качества оптической связи от состояния атмосферы (запыленности, задымленности, тумана и т.д.) и ограничений, связанных с условием обеспечения прямой видимости между абонентами, приоритет был отдан исследованию возможности предельного уменьшения размеров датчиков MEMS. В начале 1999 г. исследователи Калифорнийского университета в г. Беркли под руководством профессора Кристофера Пистера создали датчик в виде таблетки диаметром около 5 мм. Конструкция этого датчика показана на рисунке 1.1. Применение полупроводниковых лазерных источников, снабженных коллиматорной оптикой, позволило добиться узконаправленного потока излучения и тем самым снизило требования к мощности выходного сигнала передатчика. Следующим шагом стало уменьшение габаритов до 1-2 мм. Именно тогда для будущих датчиков с еще меньшими размерами К. Пистером был использован термин «умная пыль».

Оперативно-технологическая связь

... с различной абонентской емкостью. 3. Организация оперативно-технологической связи на базе единой технологической платформы СМК-30 3.1 Комплексный подход к построению сети ОТС Основой комплекса оборудования является ... и более участниками, объединенными обменом голосовой информацией или устройствами обмена данными. Это дает возможность в сложной сети, состоящей из нескольких двойных колец, строить ...

Рисунок 1.1 — Конструкция датчика проекта «Умная пыль» [5]

В качестве общей подложки датчика используется аккумулятор, выполненный по толстопленочной технологии. На нем размещаются первичный преобразователь неэлектрической величины в электрическую, аналого-цифровой преобразователь, цифровой процессор совместно с запоминающим устройством, вторичный источник питания и солнечная батарея, изготовленные в виде отдельных кремниевых кристаллов. Вычислительные возможности датчика на тот момент времени должны были соответствовать микропроцессору «Intel 8086». Внешняя связь обеспечивалась блоками фотоприемника, лазерного передатчика и уголкового отражателя. Блок лазерного передатчика состоял из полупроводникового лазера, коллиматорной линзы Френеля и зеркала. Зеркало размещалось на отклоняющем устройстве, которое позволяло направлять излучение передатчика в любом направлении в пределах воображаемой полусферы, опирающейся на плоскость основания датчика. Информация о положениях отклоняющего устройства при проведении сеансов связи датчика с различными внешними абонентами хранится в запоминающем устройстве для воспроизведения этих положений при последующих сеансах связи с абонентами.

Внешним абонентом, которому передается полученная датчиком информация, служит центральная станция. Устройствами дуплексной связи этой станции являются фотоприемник модулированного оптического излучения, поступающего от датчика, демодулятор и дешифратор полученного сигнала, а также лазерный источник излучения. Передача информации от датчика на центральную станцию осуществляется в активном или пассивном режимах.

В случае активного режима используется лазерный блок датчика. Этим блоком генерируется импульсно-модулированное излучение в соответствии с сигналами первичного преобразователя. Лазерный передатчик потребляет относительно большую мощность, значение которой составляет около 1 мВт. Поэтому сеанс связи в таком режиме может продолжаться в течение короткого промежутка времени. Передача информации при этом осуществляется, как указывают разработчики датчика, либо на расстояние нескольких километров при низких скоростях потока передаваемой информации, либо на значительно меньшие расстояния, но при высоких скоростях этого потока, достигающих нескольких мегабит в секунду.

При пассивном режиме используется уголковый отражатель. Конструктивно он состоит из трех взаимно перпендикулярных плоскостей, выполненных из поликристаллического кремния с пленочным покрытием из золота. Одна из плоскостей отражателя сопряжена с электростатическим приводом (актюатором), который может отклонять эту плоскость от ее исходного положения, что позволяет осуществлять импульсную модуляцию отраженного излучения лазера центральной станции.

Отраженное лазерное излучение направляется уголковым отражателем строго обратно к центральной станции и одновременно модулируется в соответствии с сигналами первичного преобразователя датчика. Угол падения исходного оптического излучения на уголковый отражатель должен совпадать с осью симметрии, проходящей через точку сопряжения плоскостей отражателя, и выдерживаться с допуском в несколько десятков градусов. С целью снижения требований со стороны устройств внешней связи к ориентации датчика его конструкция может содержать несколько уголковых отражателей разной направленности. В этом случае размеры датчика увеличиваются. Таким же образом в пассивном и активном режимах может осуществляться связь между двумя датчиками.

Интернет вещей в логистике

... «вещей» в единую вычислительную сеть, обслуживаемую интернет-протоколами <https://ru.wikipedia.org/wiki/TCP/IP> и рассмотрение «интернета вещей» как ... применить их в своей работе? Для ответа на этот ... датчики (тепловые <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B0%D1%82%D1%87%D0%B8%D0%BA_%D1%82%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D0%BF%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BA%D0%B0>, датчики ...

С целью экономии мощности, потребляемой датчиком, предусмотрена возможность его работы при отключенных устройствах внешней связи и накапливании информации, зарегистрированной первичным преобразователем, в запоминающем устройстве. Последующая передача этой информации на центральную станцию осуществляется в определенные промежутки времени в пассивном режиме. Эта передача информации может производиться в некоторых случаях по программе центральной станции, когда ее лазерное излучение включается в определенное время суток, или через определенные промежутки времени в зависимости от специфических особенностей регистрируемых датчиком событий. В других случаях лазерное излучение центральной станции включается в ответ на короткие сигналы запроса самого датчика, передаваемые в активном режиме.

При экспериментальном исследовании датчика была успешно осуществлена пассивная передача информации в пассивном режиме от датчика на центральную станцию, удаленную на 150 м (при выходной мощности лазера базовой станции — 5 мВт и скорости потока передаваемой информации — 1 кбит/с).

В дальнейшем свободный доступ к материалам программы «Умная пыль» был закрыт. Это означает, что результаты дальнейших исследований используются в целях создания реальных военных разведывательных систем.

Следующей предпосылкой появления БСС стало решение задачи использование радиоканалов для передачи пакетов данных и организации беспроводных вычислительных сетей. Одной из основных технических проблем, возникающих при реализации таких сетей, была разработка средств управления доступом к общему радиоканалу связи.

Первая сеть пакетной радиосвязи, известная как ALOHANet, была разработана в 1968-1971 г.г. в Гавайском университете США под руководством профессора Н. Абрамсона. Она предназначалась для использования дешевого коммерческого радиооборудования для подключения пользователей на о. Оаху и других Гавайских островах к центральному компьютеру в режиме разделения времени. Компьютер был расположен в главном кампусе университета на острове Оаху. В этой сети впервые был использован метод случайного доступа к общей среде передачи. Скорость передачи данных составляла 9600 бод. Передача информации осуществлялась на ультравысоких частотах (УВЧ).

Первая версия протокола, который сейчас называется «Чистая Алоха» (Pure ALOHA) была довольно проста:

• если у вас готовы данные для передачи, отправляйте данные;
• если ваше сообщение сталкивается с другой передачей, попробуйте отправить его позже. Для этого отправитель ждет случайное время, прежде чем повторяет попытку.

Следует подчеркнуть, что первый шаг протокола подразумевает, что не производится проверки занятости канала перед началом отправки сообщения. Критическим фактором этого протокола является концепция «потом»: случайная отсрочка значительно влияет на эффективность протокола, и, в конечном итоге, определяет пропускную способность канала и предсказуемость его поведения.

Технология беспроводной передачи информации на примере технологии Bluetooth

... технологий. Мое мнение, что такая технология как Bluetooth заслуживает внимания. Глава 1. Концепция и технические принципы беспроводной передачи информации. 1.1. Концепция беспроводной передачи информации . В целом, технологии беспроводной передачи данных, ... Bluetooth стала конкурентом таким технологиям, как IEEE 802.11, HomeRF и IrDA, хотя последняя и не предназначена для построения локальных сетей, ...

Основываясь на результатах проекта ALOHA, управление DARPA начало в 1973 г. финансирование ряда проектов по созданию сетей пакетной радиосвязи. В 1975 г. Р. Маклаф разработал протокол CSMA (Carrier Sense Multiple Access — множественный доступ с контролем несущей).

В 1977 г. в Лос-Анжелесе была создана пакетная радиосеть PRNet и проведен ряд экспериментов по передаче IP-пакетов между фиксированными и мобильными сетевыми узлами. При этом сеть PRNet позволяла реализовывать «многоскачковый» режим передачи, при котором данные передаются конечному получателю не сразу, а несколькими «скачками» по узлам сети. Другими особенностями PRNet были возможность дистанционной отладки и удаленной загрузки кода доступа к узлам сети. Сеть PRNet эксплуатировалась в экспериментальном режиме ежедневно, в течении, по меньшей мере, десяти лет.

В 1983 году управление DARPA начало финансирование проекта SURAN (Survivable Radio Network) по разработке набора мобильных одноранговых сетей, устойчивых к электронным атакам. Первоначальными целями проекта были:

• разработка малогабаритного и недорогого радиоканала с низким энергопотреблением, способного работать с более сложными протоколами передачи радиопакетов, чем проекты DARPA 1970-х годов;
• разработка и демонстрация алгоритмов, способных к масштабированию до десятков тысяч узлов;
• разработка и демонстрация методов обеспечения устойчивости и живучести пакетных радиосетей при сложных электронных атаках.

Следующим расширением этой программы стало начало создания в 1987 г. мобильных протоколов дешевой пакетной радиосвязи (LPR — Low-cost Packet Radio).

Основными проектными задачами стали:

• масштабируемость на основе методов динамической кластеризации;
• радиоуправление кодами расширения для обеспечения безопасности и увеличения емкости сети.

Для проекта SURAN были разработаны многочисленные алгоритмы маршрутизации, программный лабораторный эмулятор и реальный демонстратор, выполненный на изготовленных на заказ аппаратных средствах. Этот демонстратор представлял собой радиосеть из 180 узлов. Наиболее сложный эксперимент проводился одновременно на 22 узлах, некоторые из которых были установлены на движущиеся автомобили.

Реализация проекта SURAN привела к появлению концепции MANET (Mobile Ad hoc Network) — беспроводных децентрализованных самоорганизующихся сетей, состоящих из мобильных устройств. Каждое такое устройство может независимо передвигаться в любых направлениях, и, как следствие, часто разрывать и устанавливать соединения c соседними узлами.

Самоорганизующиеся сети MANET обладают следующими преимуществами над беспроводными сетями традиционной архитектуры:

• возможность передачи данных на большие расстояния без увеличения мощности передатчика;
• устойчивость к изменениям в инфраструктуре сети;
• возможность быстрой реконфигурации в условиях неблагоприятной помеховой обстановки;
• простота и высокая скорость развертывания;

Беспроводные сети, построенные на базе мобильных устройств, обладают следующими особенностями:

• мобильность узлов повышает требования к динамической топологии сети, так как к возможности обрыва связи из-за помех или включения/выключения узла добавляется возможность его пространственного перемещения;

Основными проблемами при создании сетей MANET являются:

Беспроводные технологии в компьютерных сетях

... беспроводные решения, заключается в выборе соответствующей технологии. Существует множество типов беспроводной связи и, как и в проводных сетях, к различным системам предъявляются различные требования. Беспроводные технологии - это подкласс информационных технологий, служат для передачи ...

• обеспечение помехоустойчивости;
• обеспечение безопасности передаваемых данных;
• обеспечение и поддержание общей пропускной способности сетей;
• увеличение эффективности применяемых методов маршрутизации.

Еще одной концепцией оказавшей и продолжающей оказывать на создание БСС большое влияние является так называемая концепция Интернета вещей (Internet of Things).

«Интернет вещей» — концепция вычислительной сети физических объектов («вещей»), оснащённых встроенными устройствами для взаимодействия друг с другом и/или с внешней средой.

Перспективы массового создания таких сетей рассматриваются как явление, способное значительно изменить социально-экономические процессы, вследствие исключения или изменения степени участия в них человека. Наполнение концепции «Интернет вещей» многообразным технологическим содержанием и внедрение практических решений по ее реализации считается одним из наиболее перспективных процессов развития информационно-коммуникационных технологий.

Концепция и термин «Интернет вещей» впервые были сформулированы К. Эштоном из Массачусетского технологического института в 1999 г. на презентации для руководства компании Procter & Gamble. В презентации рассказывалось о том, как массовое внедрение средств радиочастотной идентификации (RFID) для взаимодействия физических объектов между собой и с внешним окружением сможет видоизменить систему управления логистическими цепями в корпорации.

В 2004 году в журнале «Scientific American» была опубликована обширная статья, посвященная интернету вещей. В ней были наглядно продемонстрированы возможности бытового применения концепции. В статье приведена иллюстрация, демонстрирующая как бытовые приборы (будильник, кондиционер), домашние системы (система садового полива, охранная система, система освещения), датчики (тепловые, датчики освещённости и движения) и «вещи» (например, лекарственные препараты, снабжённые идентификационной меткой) взаимодействуют друг с другом посредством коммуникационных сетей (инфракрасных, беспроводных, силовых и слаботочных сетей) и обеспечивают полностью автоматическое выполнение процессов (включают кофеварку, изменяют освещённость, напоминают о приёме лекарств, поддерживают температуру, обеспечивают полив сада, сберегают электроэнергию).

Сами по себе представленные варианты домашней автоматизации не новы, но упор в публикации на объединении устройств и «вещей» в единую вычислительную сеть, обслуживаемую интернет-протоколами, и рассмотрение интернета вещей как особого феномена, стали причинами резкого роста популярности концепции.

Уже в отчете Национального разведывательного совета США 2008 г. «Интернет вещей» фигурирует как одна из шести потенциально разрушительных технологий, указывается, что повсеместное и незаметное для потребителей превращение в интернет-узлы таких распространённых вещей, как товарная упаковка, мебель, бумажные документы, может нанести урон национальной информационной безопасности.

По мнению аналитиков корпорации Cisco в течение 2008-2009 г.г. произошло настоящее рождение Интернета вещей, так как именно в это время количество устройств, подключённых к глобальной сети, превысило численность населения Земли. Тем самым «интернет людей» стал «интернетом вещей».

Исследование современных стандартов радиосвязи для предоставления ...

... сети. Существует по крайней мере два основных профиля: Достоинства: Недостатки: Области применения Основные области применения технологии ZigBee: ... из характерных особенностей модулей Bluetooth, сформировались их области применения: Wi-Fi Стандарт беспроводной передачи данных ... радиоволны из спектра частот, определенных стандартом IEEE 802.11. Существует четыре разновидности стандарта Wi-Fi (табл. 2). ...

С 2009 г. при поддержке Еврокомиссии в Брюсселе ежегодно проводится конференция «Internet of Things», на которой представляют доклады еврокомиссары и депутаты Европарламента, правительственные чиновники из европейских стран, руководители таких компаний как SAP, SAS Institute, Telefónica, ведущие учёные крупных университетов и исследовательских лабораторий.

Радиочастотная идентификация или RFID (Radio Frequency IDentification) — способ автоматической идентификации объектов, в котором посредством радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в так называемых транспондерах, или RFID-метках. Любая RFID-система состоит из считывающего устройства (считыватель, ридер или интеррогатор) и транспондера (он же RFID-метка, иногда применяется термин RFID-тег).

Прототипом RFID может считаться система распознавания «свой-чужой» IFF (Identification Friend or Foe), изобретённая Исследовательской лабораторией ВМС США в 1937 году. Она активно применялась союзниками во время Второй мировой войны, чтобы определить, своим или чужим является объект в небе. Подобные системы до сих пор используются как в военной, так и в гражданской авиации.

Идея использования пассивных электронных запоминающих устройств-меток привела к созданию в 1969 г. компании под названием Communications Services Corporation, или ComServ. В 1973 г. эта компания получила патент на «небольшое портативное устройство, которое легко спрятать, а в случае необходимости прикрепить или вмонтировать в различные объекты». В качестве памяти инженеры компании использовали ферритовые кольца, позволившие им создать устройство, способное запомнить до 16 бит данных. Изобретение демонстрировалось в различных транспортных и правительственных организациях. Демонстрационное устройство работало на частоте 915 МГц и использовало 12-битные метки.

В 1990-е годы началось активное применение радиосистем для оплаты дорожных сборов на скоростных магистралях США. Автомобили смогли пересекать въездные терминалы, не снижая скорости. Бесконтактные средства оплаты появились на дорогах Оклахомы, Канзаса и Джорджии, а также в районе Хьюстона. Все они базировались на единой спецификации, названной Title-21. Затем нескольких северо-восточных штатов США сформировали группу E-Z Pass Interagency Group, которая с целью автоматизации взимания платы за проезд занялась вопросами стандартизации RFID-методик.

В это же время корпорация Texas Instruments создает TIRIS — Texas Instruments Registration Identification System. И наконец, наступает переломный момент, когда приемопередатчик радиоволн впервые интегрируется в микросхему, изготовленную по стандартному КМОП-процессу. Это позволило объединить на одной подложке все компоненты, необходимые для функционирования радиометки RFID и открыло новые возможности для ее дальнейшей миниатюризации.

В 2004 г. Международная организация по стандартизации приняла единый международный стандарт ISO 18000, описывающий протоколы обмена во всех частотных диапазонах RFID от 135 кГц до 2,45 ГГц. Диапазону УВЧ (860 ÷ 960) МГц соответствует стандарт ISO 18000-6А/В. В настоящее время действует несколько стандартов, описывающих различные области и аспекты применения RFID.

Еще одной предпосылкой создания БСС стало развитие персональных беспроводных сетей WPAN (Wireless Personal Area Network).

Эти сети обеспечивают радиообмен между персональными коммуникационными устройствами, расположенными на небольшом расстоянии друг от друга (порядка единиц) метров и предназначены для удовлетворения индивидуальных потребностей пользователей.

Родоначальником технологии WPAN считается компания Ericsson, которая в 1994 г. предложила технологию среднескоростной сети, которая в настоящее время известна как Bluetooth. К 1998 г. инициативной группой производителей SIG (Special Interest Group) был разработан первый стандарт WPAN, получивший название Bluetooth v.1.0.

В том же 1998 г. другая инициативная группа, впоследствии образовавшая альянс ZigBee, начала разработку спецификаций на аппаратуру для низкоскоростных WPAN.

В качестве ответа на растущие вызовы со стороны беспроводных вычислительных сетей Институт инженеров электротехники и электроники США (IEEE) в рамках комитета IEEE 802 (IEEE 802 LAN/MAN Standarts Committee) образовал рабочую группу IEEE 802.15, которая начала работу по стандартизации в области WPAN.

2 Рабочая группа IEEE 802.15

Комитет IEEE 802 ведет свою историю с 1980 г., когда была осознана необходимость определения стандартов локальных сетей ЭВМ для разработки сетевых интерфейсов, характеризующихся низкой стоимостью и высокой степенью унификации.

Общей особенностью стандартов этого комитета, занимающегося стандартами локальных и городских вычислительных сетей (LAN — Local Area Network и MAN — Metropolitan Area Network, соответственно), является то, что все стандарты IEEE 802 ограничены сетями с пакетами переменной длины. Службы и протоколы, определяемые в IEEE 802, находятся на двух нижних уровнях: канальном (PHY — Physical Layer) и физическом (DLL — Data Link layer) уровни) семиуровневой сетевой модели OSI. Фактически, IEEE 802 разделяет канальный уровень OSI на два подуровня — подуровень управления доступом к среде (MAC — Media Access Control) и подуровень логической передачи данных (LLC — Logical Link Control).

Первый подуровень (MAC) определяет метод доступа к среде. Второй подуровень, (LLC), определяет все другие канальные функции (управление потоком данных, контроль ошибок и т. п.).

Рабочая группа IEEE 802.15 специализируется на разработке стандартов WPAN, имеющих небольшой радиус действия. На разных этапах работы она включала в себя разные целевые группы.802.15.1 — Блютус (Bluetooth).

Этот стандарт регламентирует беспроводные среднескоростные соединения стационарных и портативных устройств в радиусе до 100 м личного или рабочего пространства, расположенного, в том числе, в разных помещениях. Как уже отмечалось выше, первая версия этого стандарта была опубликована в 1998 г, промежуточная версия 1.1 — в 2001 г. Версия 1.2, утвержденная позднее как стандарт IEEE 802.15.1-2005, была обнародована в 2003 году.

Дальнейшее развитие Блютус получил как промышленный стандарт в рамках деятельности Специальной группы по интересам (Bluetooth Special Interest Group или Bluetooth SIG), которая была создана в 1998 г. в США пятью компаниями-учредителями в качестве некоммерческой организации. В 2013 г. количество членов этой организации достигло 20 000.

Блютус версии 2.0 был опубликован 10.11.2004 г. Он имеет обратную совместимость с предыдущими версиями 1.x. Основным нововведением стала поддержка Enhanced Data Rate (EDR) для ускорения передачи данных. Номинальная скорость EDR составила 3 Мбит/с, хотя на практике скорость передачи данных не превышала 2,1 Мбит/с.

В период 2007 — 2009 г.г. Bluetooth SIG были последовательно опубликованы спецификации Bluetooth 2.1, Bluetooth 2.1 + EDR и Bluetooth 3.0 + HS. Особо отметим спецификацию Bluetooth 4.0, утвержденную Bluetooth SIG 30.06.2010 г.

Спецификация Bluetooth 4.0 включает в себя три протокола: Классический Блютус (Classic Bluetooth), Высокоскоростной Блютус (Bluetooth High Speed) и Блютус с низким энергопотреблением (BLE — Bluetooth Low Energy).

Высокоскоростной Блютус основан на Wi-Fi, а Классический Блютус состоит из протоколов предыдущих спецификаций Блютус.

Блютус с низким энергопотреблением включает спецификацию ядра цифровой беспроводной технологии Wibree, со сверхнизким энергопотреблением и малым радиусом передачи (до 10 м), основанной на применении недорогих микросхем в передающих устройствах. Главным достоинством этой технологии является управление режимами энергопотребления в режимах передачи и простоя.

В 2001 г. компания Nokia определила несколько открытых сегментов беспроводных технологий. Чтобы их закрыть, концерн Nokia начал разработку технологии, основанной на стандарте Bluetooth. Новая технология должна была обеспечить низкое энергопотребление передающих устройств и более низкую стоимость оборудования по сравнению с Bluetooth. Наработки были представлены в 2004 г. под названием Bluetooth Low End Extension («Слабая» версия Блютус).

Далее к разработке этой технологии подключились партнеры Nokia, и в октябре 2006 г. новая спецификация была представлена под брендом Wibree. Аббереатура от «Wi» (wireless — беспроводной) и «bree» (от староанглийского — перекресток).

После переговоров в июне 2007 г. с членами группы Bluetooth SIG было получено согласие на включение Wibree в следующую спецификацию Bluetooth в качестве Блютус-технологии ультра низкого энергопотребления (Bluetooth Ultra Low Power Technology), теперь известной как BLE.

Спецификация BLE предназначена, прежде всего, для миниатюрных электронных датчиков (использующихся в спортивной обуви, тренажерах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и т. д.).

Низкое энергопотребление достигается за счет использования особого алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет. Стандарт предусматривает скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета данных 8÷27 байт. В новой версии два Блютус-устройства могут устанавливать соединение менее чем за 5 миллисекунд и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Для этого используется усовершенствованная коррекция ошибок, а необходимый уровень безопасности обеспечивает 128-битное AES-шифрование.

Первый чип с поддержкой Блютус 4.0 был выпущен компанией ST-Ericsson в конце 2009 года.

Последняя спецификация Блютус — Блютус 4.1 была представлена Bluetooth SIG в конце 2013 г. Одно из улучшений, реализованных в этой спецификации, касается совместной работы Блютус и мобильной связи четвeртого поколения. Стандарт предусматривает защиту от взаимных помех путем автоматической координации передачи пакетов данных.802.15.2. Эта группа занималась разрешением конфликтов между беспроводными персональными сетями (WPAN) и другими беспроводными устройствами, работающими на нелицензируемых частотных диапазонах, такими как беспроводные локальные сети (WLAN).

Стандарт IEEE 802.15.2-2003 был опубликован в 2003 г. после чего деятельность этой целевой группы была приостановлена.802.15.3 . Эта группа занимается разработкой стандартов для высокоскоростных (от 11 до 55 Мбит/с) WPAN. В период с 2003 по 2009 г.г. было опубликовано 4 версии этого стандарта. Последний стандарт IEEE 802.15.3c-2009 был опубликован 11.09.2009 г. Создавшая его целевая группа TG3c, образованная в марте 2005 г., разработала альтернативный физический уровень, основанный на миллиметровых волнах, для первой версии стандарта 802.15.3-2003 WPAN. Эти миллиметровые WPAN работают на нелицензируемых частотах в диапазоне 57÷63 ГГц. Такой выбор частот обеспечивает возможность бесконфликтной работы на близком расстоянии с другими микроволновыми системами, определенными в стандартах IEEE 802.15. Сети WPAN IEEE 802.15.3c-2009 обеспечивают очень большую скорость передачи данных (более 3 Гбит/c), что позволяет реализовывать доступ в интернет, потоковую передачу мультимедиа (потоковое видео, HDTV, домашний кинотеатр и т.д.) и даже замену некоторых проводных шин передачи данных беспроводным каналом.

В настоящее время развитием высокоскоростных WPAN занимается целевая группа TG3d. Последняя черновая версия спецификации IEEE P802.15-13-0522-06-0thz, опубликованная этой группой 20.03.2014 г., демонстрирует возможность передачи данных со скоростью 100 Гбит/с на дистанции 20 м и со скоростью 40 Гбит/с на расстоянии 1,1 км.802.15.4. Эта группа занимается спецификациями протоколов PHY и MAC для беспроводных персональных сетей с низким уровнем скорости передачи (Low-rate WPAN).

Стандарт IEEE 802.15.4-2003, первая версия которого была опубликована в 2003 г., ориентирован на очень длительное время автономной работы (месяцы и даже годы), низкую сложность устройств и очень малую стоимость передачи одного бита информации при низкой скорости передачи.

Первоначальная версия этого стандарта определяла два варианта физического уровня, основанных на широкополосной модуляции с прямым расширением спектра. Первый работает в диапазонах 868/915 МГц со скоростью передачи в 20 и 40 кбит/с, а второй в диапазоне 2450 МГц со скоростью 250 кбит/с при дальности связи порядка 10 м.

Дальнейшее развитие этого стандарта осуществляется путем публикации поправок, разрабатываемых несколькими целевыми группами.

Целевая группа TG3а разработала поправку IEEE 802.15.4a, первый вариант которой был представлен в 2006 г., а окончательный — в 2007 г. и получил формальное название IEEE 802.15.4a-2007. Это — дополнение к IEEE 802.15.4, определяющее допустимые варианты реализации физического уровня. Поправка нацелена на достижение:

более высокой точности расположения (от 1 метра),

большей пропускной способности,

масштабируемости скорости передачи данных,

большей дальности

более низкого энергопотребления и стоимости.

В версии 2006 г. были повышены максимальные скорости передачи данных на частотах 868/915 МГц до 100 и 250 кбит/с. Кроме того, были определены четыре варианта физических уровня в зависимости от метода модуляции. Три из них сохранили подход широкополосной модуляции в диапазоне 868/915 МГц, включая двоичную и квадратурную фазовую манипуляции. Последняя является более подходящей для диапазона 2450 МГц. Четвертый вариант на частоте 868/915 МГц использует комбинацию двоичного кодирования и амплитудной манипуляции на основе параллельного, а не последовательного расширения спектра. Стало возможно динамическое переключение между поддерживаемыми вариантами 868/915 МГц физического уровня.

Версия 2007 г. расширила четыре варианта физического уровня, которые были доступны в версии 2006 г., до шести вариантов. Для реализации повышения скорости передачи были выбраны две технологии:

• последовательная радиотехнология UWB Pulse Radio (нелицензируемый UWB диапозон частот);
• технология частотного расширения спектра Chirp Spread Spectrum (CSS) (нелицензируемая 2,4 ГГц частота).

Технология UWB Pulse Radio основана на технологии Continuous Pulsed UWB и способна обеспечить связь с высокой точностью покрытия. Физический слой UWB выделен частотами в трtх диапазонах: ниже 1 ГГц, между 3 и 5 ГГц, и между 6 и 10 ГГц. На физический слой CSS выделен спектр в полосе 2450 МГц диапазона ISM.

Целевая группа TG4b разработала поправку IEEE 802.15.4b, которая была принята в июне 2006 г. и опубликована в сентябре 2006 как IEEE 802.15.4-2006. Она направлена на создание таких улучшений и пояснений к стандарту IEEE 802.15.4-2003, как уменьшение числа неоднозначностей, избавление от ненужных сложностей, повышение гибкости использования ключей безопасности, расширение диапазона частот и др.

Поправка IEEE 802.15.4c, разработанная целевой группой TG4c, была одобрена в 2008 г. и опубликована в январе 2009 г. Она определила новые спецификации радиочастотного спектра в связи с открытием регулирующими органами Китая для использования WPAN следующих частотных диапазонов 314÷316 МГц, 430÷434 МГц и 779÷787 МГц. При этом добавилось еще несколько вариантов физического уровня. Для частоты 780 МГц стала доступна квадратурная фазовая манипуляция (Quadrature phase-shift keying, QPSK) и фазовая манипуляция высоких порядков (M-PSK).

Целевая группа TG4d была создана для внесения изменений в стандарт 802.15.4-2006. Разработанная ею поправка IEEE 802.15.4d определяет новый вариант физического уровня и некоторые изменения в MAC подуровень, необходимые для поддержки нового диапазона частот 950 МГц÷956 МГц, выделенного для WPAN в Японии. Для этого были сделаны доступными гауссовская частотная манипуляция (GFSK — Gaussian Frequency-Shift Keying) и двоичная фазовая манипуляция (BPSK — Binary Phase-Shift Keying).

Целевая группа TG4e была создана для внесения поправок в MAC подуровень стандарта IEEE 802.15.4-2006. Целью поправки IEEE 802.15.4e, принятой в 2011 г., является расширение функциональности MAC стандарта IEEE 802.15.4-2006 для:

более широкого обеспечения поддержки промышленного применения,

обеспечения совместимости с изменениями, произошедшими с китайскими WPAN.

Этой же поправкой были добавлены технологии Channel Hopping и Variable Time Slot, совместимые с ISA100.11a. В итоге, с учетом сделанных к этому времени многочисленных поправок в 2011 г. была опубликована новая базовая версия стандарта IEEE 802.15.4-2011.

Целевая группа TG4f была создана для определения новых вариантов беспроводных физических уровней и улучшения MAC подуровня стандарта 802.15.4-2006 для обеспечения поддержки активных RFID систем, двунаправленных и навигационных приложений. Разработанная этой группой поправка была опубликована в 2012 г. как IEEE 802.15.4f-2012.

Целевая группа TG4g была создана для разработки поправки к физическому уровню PHY стандарта IEEE 802.15.4. Поправка IEEE 802.15.4g предназначена для поддержки сильномаштабируемых, географически разнесенных сетей с минимальной инфраструктурой и миллионами конечных узлов, таких как инженерные сети Smart Grid («умные сети»).

В итоге эта поправка была принята в апреле 2012 г. как стандарт IEEE 802.15.4f-2012.

В настоящее время работы по совершенствованию стандарта IEEE 802.15.4 продолжаются в целевых группах TG4n, TG4q и TG4r, а также в группе Интересов по безопасности (Interest Group SEC), занимающейся вопросами обеспечения безопасности сетей IEEE 802.15.4.802.15.5. Эта группа занимается разработкой архитектурного фреймворка или сетевой топологии, позволяющей строить на основе WPAN устройств стабильные, совместимые и маcштабируемые беспроводные ячеистые сети или Mesh-сети. Стандарт IEEE 802.15.5-2009 состоит из двух частей: низкоскоростные и высокоскоростные Mesh-сети. Низкоскоростные Mesh-сети строятся на основе стандарта IEEE 802.15.4-2006 MAC, тогда как для построения высокоскоростных Mesh-сетей используется стандарт IEEE 802.15.3b-2006 MAC. сети образуются на основе множества соединений типа «точка-точка» из узлов, находящихся в области радиопокрытия друг друга. Наиболее часто встречающееся определение Mesh-сетей выглядит следующим образом: «Mesh — сетевая топология, в которой устройства объединяются многочисленными (часто избыточными) соединениями, вводимыми по стратегическим соображениям».

В обоих типах Mesh-сетей поддерживаются такие опции, как инициализация сети, адресация и многоскачковое распространение. Кроме того, низкоскоростная Mesh-сеть поддерживает групповую адресацию, обеспечение надежности вещания, переносимую поддержку, трассировку маршрута и функции экономии энергии, а высокоскоростная Mesh-сеть поддерживает многоскачковую ячетстую архитектуру в реальном времени.802.15.6. Первая целевая группа TG6 была сформирована в ноябре 2007 г. для работы над стандартом энергоэффективных беспроводных устройств низкой дальности, оптимзированных для работы на/в теле человека (или другого живого организма) и обеспечивающих работу различных медицинских, бытовых или развлекательных приложений. Затем на основании утвержденного заочным голосованием 22.07.2011 г. проекта BAN (Body Area Network) в декабре 2011 г. была создана целевая группа TG6t для разработки стандарта IEEE 802.15.6 сетей датчиков мониторинга параметров тела человека. 802.15.7 В январе 2009 г. состоялось первое заседание целевой группы TG7, на котором обсуждалось написание стандарта IEEE 802.15.7 создания WPAN с помощью видимого света (Visible Light Communications).

В декабре 2011 г. эта целевая группа завершила определение физического и MAC уровней для данного вида связи, опубликовав спецификацию IEEE 802.15.7-2011.

Кроме перечисленных направлений работ в IEEE 802.15 существует постоянный комитет IEEE P802.15, который был создан для облегчения и стимулирования презентаций и дискуссий на тему новых беспроводных технологий. Комитет может инициировать новые стандартизационные проекты и адресовывать рабочей группе 802.15 решение вопросов и исправление ошибок, связанных с технологиями и методами построения беспроводных персональных сетей.

3 Реализация стандарта IEEE 802.15.4

Для практической реализации WSN сетей стандарт IEEE 802.15.4 необходимо дополнить протоколами верхних уровней модели OSI. Наиболее крупным промышленным объединением, занимающимся этим вопросом, является Альянс ZigBee.

Как уже отмечалось в подразделе 1.1, история стандарта IEEE 802.15.4 началась в 1998 году, когда многие инженеры, знакомясь с новейшими на то время стандартами Bluetooth и Wi-Fi, с разочарованием поняли, что для множества нужных рынку устройств типа «умной пыли» эти стандарты энергетически затратны, слишком сложны и быстры. Тогда и был образован консорциум ZigBee Alliance, который на основе стандарта IEEE 802.15.4 разработал и 14.12.2004 г. ратифицировал спецификацию ZigBee 1.0. Последняя спецификация ZigBee 2007 была опубликована 30.10.2007 г.

Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при малом энергопотреблении поддерживает не только различные топологии сети «точка-точка», «дерево» и «звезда», но также самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую mesh-топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Кроме того, спецификация ZigBee содержит возможность выбора алгоритма маршрутизации, механизм стандартизации приложений — профили приложений, библиотеки стандартных кластеров, конечные точки и привязки, гибкий механизм безопасности, а также обеспечивает простоту развертывания, обслуживания и модернизации. Применение сетей ZigBee в Российской Федерации в частотном диапазоне 2,405÷2,485 ГГц по Решению ГКРЧ при Мининформсвязи России от 07.05.2007 № 07-20-03-001 не требует получения частотных разрешений и дополнительных согласований.

Историю развития ZigBee хорошо иллюстрирует рисунок 1.2. Из этого рисунка следует, что Альянс ZigBee привержен концепции «Интернет вещей».

Еще одним знаковым этапом развития ZigBee было заключение 03.03.2009 г. соглашения между концерном RF4CE (Радиочастоты для бытовой электроники) и Альянсом ZigBee о сотрудничестве. В рамках этого сотрудничества была разработана стандартизированная спецификация ZigBee RF4CE, предназначенная для широкого применения в дистанционно управляемых аудио/видео продукции, такой как телевизоры и телеприставки. Это обстоятельство предоставляет ZigBee несомненные конкурентные преимущества по сравнению с другими существующими техническими решениями для дистанционного управления.

Рисунок 1.2 — История развития ZigBee Alliance [16]

Как видно из рисунка 1.2, помимо разработки основных сетевых спецификаций Альянс ZigBee также разрабатывает и публикует профили приложений, что позволяет участникам консорциума создавать совместимые продукты для различных предметных областей. Текущий список профилей приложений Альянса ZigBee, уже опубликованных или находящихся в разработке за 2006 — 2013 г.г.:

• Домашняя автоматизация;
• Рациональное использование энергии (ZigBee Smart Energy 1.0/2.0);
• Автоматизация коммерческого строительства;
• Телекоммуникационные приложения;
• Персональный, домашний и больничный уход;
• Игрушки.

Последним прикладным профилем, опубликованным Альянсом ZigBee 27.01.2014 г. стала беспроводная «умная сеть» для территориальных приложений «последней мили», объединяемых в окружные сети (NAN — Neighborhood Area Network).

В целях обеспечения совместимости протокол беспроводной связи в этом профиле определен для уровней 1 ÷ 4 модели OSI. Это обеспечивает согласованный IP-транспорт, поддерживающий различные приложения. Уровни 1 и 2 базируются на поправке IEEE 802.15.4g к стандарту IEEE 802.15.4-2011, которая была введена для облегчения построения территориальных NAN-сетей. Протоколы 3-его и 4-ого уровней основаны на стандартах IEFT, включая IPv6, а также используют связанные схемы сетей, соответствующие транспортные протоколы и маршрутизацию (например, RPL, UDP и TCP) и соответствующие механизмы безопасности.

Такой прикладной профиль беспроводной связи обеспечивает взаимодействие между различными поставщиками интеллектуальных электросчетчиков, «умных» садовых устройств и коммуникационными устройствами при создании инфраструктуры сертифицируемых профилей связи интернет-совместимых NAN-сетей.

Появление прикладных профилей ZigBee является отражением общей тенденции развития беспроводных сенсорных сетей — сегментации и специализации по прикладным областям и решаемым задачам.

В связи с рассмотренным примером следует упомянуть опубликованный в сентябре 2007 г. стандарт 6LoWPAN (от англ. IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) — стандарт взаимодействия по протоколу IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей стандарта IEEE 802.15.4, а также одноименную рабочую группу IETF, разработавшую этот стандарт. Базовая спецификация этого стандарта содержится в документе RFC 4944 [19].

Основной целью разработчиков стандарта 6LoWPAN было обеспечить взаимодействие беспроводных персональных сетей IEEE 802.15 с широко распространёнными сетями IP. 6LoWPAN ориентируется на приложения, которые требуют беспроводного подключения к интернету с низкой скоростью передачи данных для устройств с ограниченными возможностями производительности и мощности. Например, автоматизация дома, офиса и производства. Хотя такие сети могут работать автономно, обеспечение подключения к Интернету может позволить разработчикам предоставить новые возможности при управлении такой сетью.

Как и все сетевые уровни, отображаемые IP, 6LoWPAN поддерживает множество функций. Из-за различий между IPv6 и IEEE 802.15.4 при разработке стандарта потребовалась разработка адаптационного уровня, а также множество других решений.

Обзор и анализ существующих технологий сенсорных сетей

2.1 Сетевая модель взаимосвязи открытых систем

Как уже отмечалось в основе создания WSN сетей лежит семиуровневая модель OSI. Коротко рассмотрим основное содержание этой основополагающей модели.

Сетевая модель OSI (Open Systems Interconnection Basic Reference Model) — базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем или сетевая модель стека протоколов OSI/ISO, регламентированная отечественным ГОСТ Р ИСО/МЭК 7498-1-99.

На рисунке 2.1 показано схематическое изображение рассматриваемой модели.

Рисунок 2.1 — Семь уровней эталонной модели и протоколы равноправных логических объектов [17]

Обычно описание уровней модели OSI начинают с верхнего, 7-го уровня, называемого прикладным, на котором пользовательские приложения обращаются к сети. Самый нижний уровень — первый, называется физическим, на нем определены стандарты, регламентирующие требования к средам передачи данных.

Любой протокол модели OSI должен взаимодействовать либо с протоколами своего уровня, либо с протоколами на единицу выше и/или ниже своего уровня. Взаимодействия с протоколами своего уровня называются горизонтальными, а с уровнями на единицу выше или ниже — вертикальными. Любой протокол модели OSI может выполнять только функции своего уровня и не может выполнять функций другого уровня, что не выполняется в протоколах альтернативных моделей.

Каждому уровню модели с некоторой долей условности можно поставить в соответствие свое сообщение — логически неделимый элемент данных, операнд, которым на данном уровне можно оперировать в рамках модели и используемых протоколов. Так, на физическом уровне такой единицей является бит, который на канальном уровне объединяется с другими битами в кадры, на сетевом уровне кадры объединяются в пакеты (датаграммы), на транспортном — пакеты составляют сегменты. Именно сообщения в общем виде являются операндами сеансового, представительского и прикладного уровней. К базовым сетевым технологиям относятся физический и канальный уровни.

Прикладной уровень (Application Layer) — верхний уровень модели, обеспечивающий взаимодействие пользовательских приложений с сетью:

позволяет приложениям использовать сетевые службы:

предоставляет удаленный доступ к файлам и базам данных,

пересылает электронную почту;

• отвечает за передачу служебной информации;
• предоставляет приложениям информацию об ошибках;
• формирует запросы к уровню представления.

Уровень представления (Presentation Layer) обеспечивает преобразование протоколов и шифрование/дешифрование данных. Запросы приложений, полученные с прикладного уровня, на уровне представления преобразуются в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразуются в формат приложений. На этом уровне может осуществляться сжатие/распаковка или кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально.

Уровень представлений обычно представляет собой промежуточный протокол для преобразования информации из соседних уровней. Это позволяет осуществлять прозрачный обмен между приложениями, выполняемыми в разнородных системах. Уровень представлений обеспечивает форматирование и преобразование кода. Форматирование кода используется для того, чтобы гарантировать приложению поступление имеющих для него смысл данных. При необходимости этот уровень может выполнять перевод из одного формата данных в другой.

Уровень представлений имеет дело не только с форматами и представлением данных, он также занимается структурами данных, которые используются программами. Таким образом, уровень представления обеспечивает организацию данных при их пересылке.

Сеансовый уровень (Session Layer) обеспечивает поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений.

Транспортный уровень (Transport Layer) предназначен для обеспечения надежной передачи данных от отправителя к получателю. При этом показатель надежности может варьироваться в широких пределах. Существует множество классов протоколов транспортного уровня, начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные функции (например, функции передачи данных без подтверждения приема), и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых данных. Например, протокол TCP обеспечивает надежную непрерывную передачу данных, исключающую потерю данных или нарушение порядка их поступления. Он может перераспределять данные, разбивая большие порции данных на фрагменты и, наоборот, склеивая фрагменты в один пакет.

Сетевой уровень (Network Layer) предназначен для определения пути передачи данных. Он отвечает за трансляцию логических адресов и имен в физические адреса, производит определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и «заторов» в сети.

Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю. Работающие на этом уровне устройства называют маршрутизаторами. Итнернет протоколы сетевого уровня: IP/IPv4/IPv6.

Канальный уровень (Data Link Layer) предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне, управления этим взаимодействием и контроля за возникающими там ошибками. Полученные с физического уровня данные, представленные в битах, на канальном уровне упаковываются в кадры, проверяются на целостность и, если нужно, для исправления ошибок формируются повторные запросы поврежденного кадра. Затем данные отправляются на сетевой уровень.

Спецификации IEEE 802 разделяют этот уровень на два подуровня: MAC (Media Access Control), который регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (Logical Link Control), который обеспечивает обслуживание сетевого уровня. На этом уровне работают коммутаторы, мосты и другие аналогичные устройства.

Физический уровень (Physical Layer) — нижний уровень модели, который определяет метод передачи данных, представленных в двоичном виде, от одного устройства к другому. На этом уровне электрические, оптические и другие сигналы передаются в среду передачи и, соответственно, затем осуществляется их прием и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов.

Систематизированное описание уровней приведено в таблице 2.1.

Таблица 2.1 — Модель OSI

Тип данных	Уровень	Функции
Данные	7. Прикладной	Доступ к сетевым службам
Поток	6. Уровень представления	Представление и шифрование данных
Сеансы	5. Сеансовый	Управление сеансом связи
Сегменты	4. Транспортный	Прямая связь между конечными пунктами и надежность
Пакеты / Датаграммы	3. Сетевой	Определение маршрута и логическая адресация
Кадры	2. Канальный	Физическая адресация
Биты	1. Физический	Работа со средой передачи, сигналами и двоичными данными

В качестве иллюстрации к изложенному материалу на рисунке 2.2 приведена конфигурация стека протоколов ZigBee.

Рисунок 2.2 — Конфигурация стека протоколов ZigBee [1]

2 Общий анализ технологий БСС

Перед началом общего анализа существующих технологий построения беспроводных сенсорных сетей (БСС) сформулируем основные критерии, которым должны удовлетворять такие сети.

— Сеть предназначена для сбора данных с различного рода датчиков (сенсоров), встроенных в радиомоты или просто моты, в центр сбора данных/управления БСС. При этом должна быть предусмотрена возможность передачи команд управления и другой исходящей информации на радиомоты.

Из этого критерия следует, что входящий и исходящий первичные трафики сети будут, как правило, несимметричными. Например, на моты, содержащие датчики температуры, влажности, освещенности команды дистанционного управления могут вообще не передаваться.

• Сеть должна иметь возможность развертывания в произвольную пространственную конфигурацию с конечным, но не фиксированным количеством мотов. При этом после развертывания возможны перемещения одних мотов относительно других.

Структура системы сбора телеметрической информации на основе БСС приведена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 — Система сбора телеметрической информации на основе БСС

• Энергоэффективность мотов должна быть максимально высокой.

Поскольку сеть — беспроводная, то моты должны иметь автономные встроенные источники питания. Энергоемкость передачи/приема одного бита первичной информации должна быть минимальной. В идеальном случае при отсутствии первичного трафика энергопотребление мотов должно быть равно нулю. Это означает, что служебный и ретрансляционный трафики в сети должны быть минимально возможными. В свою очередь, срок службы источника питания должна быть максимально возможной.

• Стоимость передачи/приема одного бита первичной информации должна быть минимальной.

С точки зрения системных требований этот критерий во многом перекликается с предыдущим. Дополнительное требование — простота устройства мотов и максимально возможный уровень их микроминиатюризации.

• Надежность сети должна быть максимально высокой.

Этот критерий означает, что каждый мот должен передавать/принимать информацию в течение всего своего жизненного цикла. При этом выход из строя отдельных мотов не должен сказываться на работоспособности сети и оставшихся работоспособными мотов.

• Сеть не должна быть частотно лицензируемой.

Для Российской Федерации это означает, что сеть должна работать в нелицензируемом частотном диапазоне 2,405÷2,485 ГГц. В данном диапазоне определены 16 каналов шириной 5 МГц с несущими частотами, вычисляемыми в соответствие с выражением (2.1):

Fc = 2405 + 5 (k — 1) МГц, k = 1,…,16. (2.1)

Перечисленный перечень критериев не является исчерпывающим, и, тем более, не имеющим внутренних противоречий. В него не включены требования по скорости и дальности передачи информации, поскольку эти требования для БСС имеют технический характер. При этом подъем выше минимально необходимого порога этих параметров, т.е. увеличение потенциальных возможностей БСС по производительности и дальности, вступает в прямое противоречие с критериями 3 и 4.

Тем не менее, традиционно протоколы связи сравниваются между собой в системе координат дальность передачи — скорость передачи, что

Из этого рисунка видно, что стандарт IEEE 802.15.4 занимает обособленную нишу радиоинтерфейсов, которую до 2003 г. заполняли либо технологии с более высокими техническими характеристиками и, соответственно, более дорогие, либо частные решения, не имеющие под собой стандартизированной базы и базирующиеся на электронных компонентах различных производителей.

Рисунок 2.4 — Место стандарта IEEE 802.15.4 среди радиоинтерфейсов [6]

Важное место при создании БСС играет топология сети. По числу главных узлов все сети разделяются на две группы (см. рисунок 2.5):

с одним главным узлом (single-hop).

Используется, когда мощность передатчика узла достаточна для передачи сигнала к базовой станции.

с несколькими главными узлами (multi-hop).

В данной топологии некоторые узлы не только собирают информацию о наблюдаемом процессе, но и ретранслируют / собирают информацию от других узлов.

Рисунок 2.5 — Классификация БСС по количеству главных узлов

Основные варианты топологии БСС показаны на рисунке 2.6 [12]

Рисунок 2.6 — Виды топологии БСС [12]

Из рисунка 2.6 видно, что для реализации концепции «Умная пыль» со случайным пространственным расположением мотов подходит практически только одна топология — «Сеть». Это значит, что такие БСС в подавляющем большинстве случаев должны являться Mesh- сетями. Поэтому такие сети могут строиться на базе низкоскоростной части стандарта IEEE 802.15.5-2009. Как уже отмечалось в подразделе 1.2, низкоскоростные Mesh-сети строятся на основе стандарта IEEE 802.15.4-2006 MAC.

Для реализации концепции «Интернет вещей» число возможных вариантов топологии больше. В настоящее время основными конкурирующими технологиями построения БСС можно считать: технологию Z-Wаve, представляющую пример проприетарного (частного запатентованного) решения, технологию Блютус с низким энергопотреблением, а также технологию ZigBee/IEEE 802.15.4.

Рассмотрим особенности этих технологий более подробно.

3 Технология Z-Wave

Z-Wave является запатентованным беспроводным протоколом связи, разработанным для домашней автоматизации, в частности для контроля и управления на жилых и коммерческих объектах.

Домашняя автоматизация позволяет объединить все инженерные системы, работающие от электричества, такие как освещение, отопление, приготовление еды, кондиционирование, безопасность и др. между собой и осуществляет автоматизацию этих функций. Это приводит к повышению уровня безопасности и комфорта в домах и офисах, к экономии электроэнергии и других коммунальных ресурсов.

Технология Z-Wave использует маломощные и миниатюрные радиочастотные модули, которые встраиваются в бытовую электронику и различные устройства, такие как освещение, отопление, контроль доступа, развлекательные системы и бытовую технику.Wave использует полосу ISM (Industrial-Scientific-Medical) в Европе, которая открыта для различных индустриальных и научных целей. Частота составляет 868,42 МГц и соответствует длине волны приблизительно 34 см. Для других регионов частотный диапазон: 869,0 МГц (Россия), 908,42 МГц (США), 919,82 МГц (Гонконг), 921,42 МГц (Австралия / Новая Зеландия).

Система работает с пиковой мощностью передачи не более 10 мВт в течении короткого времени. Это соответствует средней мощности излучения всего лишь в 1 мВт. На расстоянии 1 м степень воздействия на человеческий организм радиосигнала Z-Wave приблизительно в 4000 раз меньше излучения мобильного телефона.

Скорость передачи данных 9,6 кбит/с или 40 кбит/с, доработанная версия протокола, с полной совместимостью. Вид модуляции — частотная модуляция с гауссовой фильтрацией (GFSK — Gaussian Frequency Shift Keying).

Радиус действия около 30 метров в условиях прямой видимости, в помещении уменьшается в зависимости от формы и материала стен.

Каждый узел беспроводной сети должен иметь уникальный идентификатор, чтобы отличать его от других узлов в сети. Протокол Z-Wave определяет два идентификатора для организации сети:

• главный идентификатор (Home ID) — общий идентификатор длиной 32 бита для всех узлов, принадлежащих одной Z-Wave сети;
• идентификатор узла (Node ID), являющийся адресом одного узла в сети. Идентификатор узла имеет длину 1 байт = 8 бит.

Узлы с разными главными идентификаторами не могут общаться друг с другом. В рамках одной сети, определяемой одним Home ID, нельзя иметь два узла с одинаковыми ID.

В сети Z-Wave существуют два основных типа

контроллеры — устройства, которые могут управлять другими Z-Wave устройствами;узлы (испольнительные узлы) — устройства, которые находятся под контролем других Z-Wave устройств. узлы подразделяются на стандартные и маршрутизируемые Slave-узлы. Маршрутизируемые Slave-узлы — узлы с расширенными функциями маршрутизации, которые обусловлены частичным знанием таблицы маршрутизации. У стандартных Slave-узлов такой информации нет.

Контроллеры имеют уникальный индивидуальный главный идентификатор (Home ID), созданный на заводе-изготовителе. Исполнительные узлы не имеют определенного Home ID. Поэтому контроллеры могут передавать свой Home ID другим Z-Wave устройствам и добавлять их в свою Z-Wave сеть.

Контроллеры могут отправлять сообщения всем требуемым узлам в сети, когда необходимо и связываться с кем необходимо. Стандартные slave-узлы не могут отправлять незапрашиваемые сообщения, а только отвечают на запросы (slave-узел должен говорить только то, что просят).

Маршрутизируемые slave-узлы могут отвечать на запросы, и они имеют право рассылать сообщения заранее предопределенным контроллером узлам.

Каждый узел имеет возможность определить, какие узлы находятся в его прямой беспроводной видимости. Эти узлы называются соседями. При включении, а затем по запросу, узел может сообщить контроллеру о своем списке соседей. Используя эту информацию, контроллер строит таблицы маршрутизации, которые содержат информацию о всех возможных маршрутах связи в сети Z-Wave.

Таблица маршрутизации основного контроллера всегда показывает фактическое состояние сети после включения устройства. Контроллер знает всю топологию сети, и поэтому всегда может найти действительный путь соединения с требуемым узлом (предполагается, что таблица маршрутизации корректна и обновляется).

Сначала контроллер будет стараться передать сообщения напрямую к узлу назначения. Если это невозможно, он будет использовать таблицу маршрутизации, чтобы найти другой наиболее оптимальный путь. Контроллер может выбрать до трех альтернативных маршрутов и попытаться отправить сообщение с помощью них. Только если все три маршрута не будут работать, и контроллер не получит подтверждение от узла-получателя, он выдаст ошибку.

Таким образом, в основе топологии Z-Wave лежит ячеистая mesh-сетевая технология, в которой каждый узел может принимать и передавать управляющие сигналы другим устройствам сети, используя цепочку смежных узлов. Например, при возникновении преграды или мертвой радиозоны между двумя соседними узлами сети, сигнал пойдет через смежные узлы, находящиеся в радиусе действия узла, потерявшего связь.

Устройства могут общаться друг с другом с помощью промежуточных узлов и обходить препятствия или мертвые радиозоны. Сообщение от узла A к узлу C может быть успешно доставлено, даже если два узла расположены не в радиусе действия связи, это осуществляется с помощью третьего узла B, который может взаимодействовать с узлами А и С. Если предпочтительный маршрут недоступен, контроллер будет пытаться связаться с требуемым узлом другими маршрутами. Таким образом, радиус действия сети Z-Wave может быть намного больше, чем дальность передачи одного узла. Wave может пересылать сообщения через четыре повторяющих узла. Это является компромиссом между размером сети и стабильностью, а также максимально допустимым временем доставки сообщения в сети.

Пример mesh-маршрутизации с использованием нескольких ретрансляторов показан на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 — Маршрутизация с использованием нескольких ретрансляторов

Для того, чтобы slave-узлы имели возможность ретранслировать не запрашиваемые ими данные, они должны быть постоянно активны. Поэтому узлы с питанием от батареек, находящиеся преимущественно в спящем режиме, не предназначены для работы в качестве устройств ретрансляции.

Одна сеть Z-Wave может содержать до 232 узлов с возможностью расширения сети с помощью мостов, если требуется включить еще несколько дополнительных узлов.

В последних версиях Z-Wave введен новый механизм исследования топологии сети. Так называемый «Проводник кадров» (explorer frames) может использоваться, чтобы восстанавливать нарушенные маршруты, вызванные перемещением или удалением устройств. Для передачи кадров исследования сети используется принцип дерева принятия решений с отсечением ветвей (pruning).

Поэтому информация должна достичь целевого узла даже без истинного знания топологии сети контроллером. «Проводник кадров» используются в качестве последнего варианта маршрутизации, когда все другие попытки связаться с целевым узлом не удались.

Альянс Z-Wave — это открытый консорциум, объединяющий в настоящее время около 200 производителей, работающих на рынке домашней автоматизации и управления. К ним относятся также разработчики программного обеспечения и крупнейшие дистрибьютеры оборудования Z-Wave. Разработчик технологии Z-Wave — калифорнийская компания Zensys (США), которая в настоящее время принадлежит компании Sigma Designs.

Достоинствами Z-Wave являются гибкость, малое потребление энергии, низкая стоимость встраивания Z-Wave в различные бытовые

К недостаткам этой технологии относится низкая скорость передачи данных и ограничения на длительность передаваемых сообщений (порядка 1% рабочего времени), рассчитанные на передачу отдельных команд. Наряду с ограниченной масштабируемостью и отсутствием автономного электропитания это не позволяет строить на базе Z-Wave сети сбора данных.

4 Технология BLE

Главным достоинством технологии Блютус с низким энергопотреблением (BLE) является специальный алгоритм управления энергопотреблением. Устройства, использующие BLE, будут потреблять намного меньше энергии, чем другие Блютус-устройства предыдущих поколений. Во многих случаях одной миниатюрной батарейки типа «таблетка» будет достаточно для работы устройства более года. Таким образом, непрерывно работающие датчики (например, датчик температуры), смогут передавать информацию на другие устройства, такие как сотовый телефон или планшетный компьютер.

Технические параметры спецификации BLE приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 — Техническая спецификация BLE

Наименовоание параметра	Классический Блютус	Блютус с низким энергопотреблением
Радиочастота	2,4 ГГц	2,4 ГГц
Дальность	100 м	50 м
Скорость передачи данных по воздуху	1-3 Мбит/с	1 Мбит/с
Пропускная способность	0,7-2,1 Mбит/с	0,26 Mбит/с
Ведомые	7	Не предопределено
Безопасность	64/128-бит шифрование и определяемый пользователем прикладной уровень	128-бит шифрование AES <#»891766.files/image010.jpg»> Рисунок 2.8 — Стек протоколов Bluetooth Low Energy (BLE): [12] а) структура стека; б) формат пакета данных BLE Следует также отметить, что спецификация Блютус 4.0 предусматривает одно- и двухрежимную работу устройств. При этом однорежимные контроллеры Классического Блютус и BLE не совместимы. Для обеспечения совместимости контроллер должен быть двухрежимным. Что касается узлов сети, то они являются, как правило, однорежимными. Устройства BLE работают в диапазоне 2,4 ГГц. В стандарте определено 40 частотных каналов с расстоянием в 2 МГц между каналами. На физическом уровне применена GFSK-модуляция (частотная модуляция с гауссовой фильтрацией) с индексом модуляции в пределах от 0,45 до 0,55, что позволяет уменьшить пиковое потребление энергии. Скорость передачи на физическом уровне 1 Мбит/с. В стандарте BLE чувствительность приемника определена как уровень сигнала на приемнике, при котором частота битовых ошибок (Bit Error Rate — BER) достигает уровня 10-3. Она должна составлять — 70 дБм или лучше. На канальном уровне различают два типа каналов — каналы объявления и каналы данных. Каналы объявления используются для поиска устройств, установления соединения, широковещательных передач, тогда как каналы данных используются для двунаправленного обмена между устройствами. Для каналов объявления выделено три частотных канала в центре полосы, что минимизирует перекрытие с каналами 1, 6 и 11 стандарта IEEE 802.11. Остальные 37 каналов используются для обмена данными. Для снижения влияния помех, многолучевого распространения, а также для снижения влияния соседних устройств при обмене данными предусмотрено скачкообразное переключение частоты. В BLE для передачи широковещательных пакетов применяются каналы объявления. Любое устройство, передающее пакеты по этим каналам, называется объявителем. Передача пакетов по каналам объявлений происходит только в специально выделенных интервалах времени, которые называются событиями объявлений. Во время этих событий устройство-объявитель передает пакеты объявлений последовательно по каждому из трех частотных каналов. Устройства, единственной функцией которых является прием пакетов объявлений, называются сканерами. Двунаправленный обмен между BLE-устройствами возможен только после установления соединения между ними. Создание нового соединения между двумя устройствами является асимметричной процедурой, в течение которой устройство-объявитель по каналам объявления сигнализирует о своей готовности к соединению. В это же время другое устройство (инициатор соединения) прослушивает данные каналы. Когда инициатор обнаруживает нужный объявитель, он может тому послать запрос на установление соединения (Connection Request). Объявитель по этому запросу устанавливает между ними соединение по каналу данных. С этого момента оба устройства могут осуществлять обмен данными. Пакеты, относящиеся к установленному соединению, будут отмечены сгенерированным случайным 32-битным кодом доступа. Также как и в классическом варианте Блютус, в BLE для установленного соединения одно из устройств выступает в качестве ведущего (master), второе — ведомого (slave). В ходе процедуры установления соединения — это инициатор и объявитель, соответственно. Ведущее устройство может поддерживать несколько соединений с ведомыми, в то время как ведомое устройство может иметь только одно подключение к ведущему. Таким образом, BLE-устройство одновременно может принадлежать только одной пико-сети. В классическом Блютус ведомое устройство в свою очередь могло выступать в качестве ведущего устройства своей собственной пико-сети. Для экономии энергии ведомое устройство по умолчанию находится в спящем состоянии, периодически просыпаясь для проверки наличия пакетов данных от ведущего. Ведущий определяет для своих ведомых устройств моменты времени, в которые ведомый просыпается для прослушивания канала, регулируя тем самым доступ устройств к среде передачи по схеме разделения времени (Time Division Multiple Access — TDMA). После установления соединения физический канал передачи данных разделяется на неперекрывающиеся временные интервалы, называемые событиями соединения (connection events) или фреймами. В течение фрейма все пакеты передаются по одному частотному каналу. Каждый фрейм начинается с передачи пакета ведущим устройством. В том случае, если ведомое устройство получило пакет, оно должно послать пакет-подтверждение. В то же время подтверждения от ведущего устройства ведомому не требуется. Между двумя последовательными пакетами должен быть выдержан межкадровый интервал времени (Inter Frame Space — IFS) не менее 150 мкс. До тех пор, пока между ведущим и ведомым продолжается обмен пакетами, событие соединения (или фрейм обмена) считается открытым. В пакетах данных, в случае необходимости дальнейшего обмена, установлен бит More Data (MD). Если ни одно из устройств не имеет данных для передачи, событие соединения будет закрыто, и ведомое устройство уже не должно прослушивать канал до начала следующего фрейма. Для нового события соединения ведущий и ведомый используют новый частотный канал, заданный в карте переключения каналов. Время между началом двух последовательных событий соединения задается параметром connInterval, является кратным 1,25 мс и может лежать в пределах от 7,5 мс до 4 с. Вторым важным параметром для пико-сети BLE является параметр connSlaveLatency, который определяет количество последовательных фреймов, в течении которых ведомое устройство не прослушивает канал и может на это время отключить трансивер. Данный параметр является целым числом в пределах от 0 до 499 и не должен превышать контрольного интервала. Контрольный интервал — параметр connSupervisionTimeout может принимать значения в диапазоне от 100 мс до 32 с. Он нужен для обнаружения потери соединения с ведомым из-за ухудшения качества канала связи или перемещения ведомого за пределы досягаемости. Протокол L2CAP в BLE является упрощенной и оптимизированной версией соответствующего протокола в Bluetooth 2.x/3.x. Он отвечает за установление логического соединения. В BLE основной задачей L2CAP является мультиплексирование данных трех протоколов (ATT, SMP, Link Layer) для соединения канального уровня. Сегментирования пакетов или сборки пакетов не производится, т.к. максимальная полезная нагрузка L2CAP в BLE составляет 23 байта. Протокол ATT определяет коммуникационные сообщения между двумя устройствами, выступающими в контексте данного протокола в качестве клиента и сервера. Сервер поддерживает набор атрибутов, представляющих собой структуру данных, позволяющую получать доступ к информации, управляемой протоколом GATT. Роли клиента и сервера определяются протоколом GATT и не зависят от роли устройства в соединении (ведущий/ведомый). Клиент посредством запросов может получить доступ к атрибутам сервера. Кроме того, сервер посылает клиенту два типа сообщений, содержащих атрибуты: уведомления, не требующие подтверждения; индикаторы, на которые клиент обязан ответить. Клиент также может послать серверу команды на изменение значений атрибутов. Протокол GATT определяет среду исполнения, используемую протоколом ATT для обнаружения сервисов и обмена характеристиками между устройствами. Характеристика в данном случае представляет собой набор данных, включающих в себя значения и свойства. Данные, относящиеся к сервисам и характеристикам, сохраняются в атрибутах. К примеру, сервер с работающим сервисом «температурный датчик» может быть связан с характеристикой «температура», которая используется для описания датчика, а другой атрибут может применяться для хранения результатов измерений.предлагает несколько сервисов безопасности для защиты данных, передаваемых между парой соединенных устройств. Большинство из поддерживаемых сервисов могут быть описаны в терминах двух режимов: LE Security Mode 1 и LE Security Mode 2. Эти режимы обеспечивают сервисы безопасности на канальном уровне и на уровне ATT, соответственно. Канальный уровень BLE поддерживает шифрование и аутентификацию на основе алгоритма Cipher Block Chaining-Message Authentication Code (CCM) и блочного шифра AES-128. При использовании в соединении шифрования и аутентификации, к полезной нагрузке (PDU) добавляется четырехбайтное сообщение проверки целостности Message Integrity Check (MIC), после чего поля PDU и MIC шифруются. Также возможна передача аутентификационных данных поверх нешифрованного соединения канального уровня. В данном случае на уровне ATT к полезной нагрузке добавляется 12-байтная сигнатура. Сигнатура вычисляется путем использования алгоритма AES-128 как блочного шифра. Одним входом алгоритма является счетчик, позволяющий предотвратить атаки типа повтора сообщений. Если приемнику удается верифицировать сообщение, считается, что оно пришло от достоверного источника. В дополнение к этим сервисам безопасности BLE поддерживает механизм, называемый приватным (или частным) адресом, который позволяет устройству использовать множество часто меняемых адресов. Этот механизм снижает угрозу отслеживания BLE-устройства по его адресу. Приватные адреса генерируются на основе публичного адреса устройства путем его шифрования с использованием ключа, полученного от доверенного устройства. Логическое соединение устройств (pairing) происходит в три этапа. На первом этапе соединенные на канальном уровне устройства объявляют свои доступные возможности ввода-вывода, и на основе их принимается решение о методе взаимодействия на втором этапе. Целью второго этапа является генерация короткоживущего ключа (Short-Term Key — STK), который будет использован на третьем этапе для обеспечения безопасности передачи распространения ключевой информации. На втором этапе устройства первоначально договариваются о временном ключе (Temporary Key — TK) при помощи одного из следующих методов: Just Works. Метод Out Of Band (передача вне полосы) предполагает передачу временного ключа по альтернативным каналам, например, используя NFC. В методе Passkey Entry ключ задает пользователь в виде последовательности из шести цифр. Когда применение обоих методов невозможно, используется метод Just Work, хотя он не поддерживает проверку аутентификаций, и не защищен от атаки типа «посредник» (Man In The Middle — MITM). На базе ключа ТК и случайных чисел, генерируемых каждым из узлов, создается STK, что является завершением второго этапа. На третьем этапе каждая из конечных точек соединения может передать другой конечной точке до трех 128-битных ключей, называемых Long-Term Key (LTK), Connection Signature Resolving Key (CSRK) и Identity Resolving Key (IRK).используется для генерации 128-битного ключа для шифрования и аутентификации на канальном уровне, CSRK — для подписи данных на уровне ATT, а IRK — для генерации частных адресов. Протокол управления безопасностью Security Manager Protocol (SMP), работающий поверх фиксированного канала уровня L2CAP, отслеживает выполнение всех трех этапов. Уязвимым местом BLE на текущий момент является незащищенность ни одного из реализованных в нем методов установления соединения от пассивного прослушивания. Однако, в следующих версиях BLE планируется использование эллиптической криптографической кривой и алгоритма обмена открытыми ключами (алгоритм Диффи-Хэлмана). Протокол GAP определяет роли устройств, режимы и процедуры обнаружения устройств и сервисов, управление установлением соединения и безопасностью. В BLE GAP выделяет четыре роли для контроллера — широковещательный, наблюдатель, периферийный и центральный. Широковещательный узел может только передавать пакеты по каналам объявления и не поддерживает соединение с другими устройствами. Наблюдатель способен только прослушивать каналы объявлений, в частности, способен принимать пакеты, передаваемые широковещательным узлом. Центральные узлы представляют собой устройства, способные поддерживать несколько соединений, в то время как периферийные узлы — это простые устройства, способные поддерживать одно соединение с центральным узлом. Роли центрального и периферийного узла предполагают, что устройство способно выполнять функции, соответственно, ведущего или ведомого. Устройство может поддерживать несколько ролей, но одновременно активной может быть только одна из них. Поверх GAP могут быть построены дополнительные профили приложений, обеспечивающие необходимую пользователю функциональность. В BLE поддерживается иерархия профилей — профиль верхнего уровня может использовать функции профиля низкого уровня. Одним из наиболее важных эксплуатационных показателей, определяющих возможность применения технологии беспроводной связи в той или иной задаче, является энергопотребление узлов сети, работающей по данной технологии. Этот показатель определяет время автономной работы устройств и схему их технического обслуживания. Для устройств BLE потребление будет зависеть от роли устройства в соединении и параметрах соединения, в частности от connInterval, connSlaveLatency, connSupervisionTimeout, а также от качества связи. Среднее энергопотребление узла в режиме ведомого в зависимости от величины connInterval представлено на рисунке 2.9. Рисунок 2.9 — Средний ток потребления BLE-устройства в режиме ведомого (узел построен на базе СнК CC2450, connSlaveLatency=0) [20] Теоретическое время автономной работы BLE-устройства в качестве ведомого в зависимости от интервала следования событий связи connInterval и уровня битовых ошибок (BER) показано на рисунке 2.10. Рис. 2.10 — Теоретические оценки времени автономной работы BLE-устройства на основе CC2540 (от батареи емкостью 230 мАч в режиме ведомого устройства при различном уровне ошибок и различных значениях параметров connInterval и connSlaveLatency) [20] Приведенные результаты, хотя и представляют теоретически максимальные оценки времени работы BLE-устройств, тем не менее показывают, что BLE вполне подходит для сенсорных устройств с автономным питанием, а среднее потребление BLE-устройств вполне сравнимо с потреблением устройств, «традиционных» для сенсорных сетей. Основным недостатком BLE-сетей являются топологические ограничения. В отличие от технологий сенсорных сетей, таких как, ZigBee, 6LoWPAN или Z-Wave, ориентированных на разветвленные распределенные сети с многочисленными передачами данных между узлами сети, Bluetooth Low Energy рассчитан на топологии типа «точка-точка» и «звезда» [20]. 2.5 Технология ZigBee / IEEE 802.15.4 Альянс ZigBee разрабатывает спецификации сетевых протоколов верхнего уровня (уровня приложений API и сетевого уровня NWK), использующих сервисы нижних уровней — уровня управления доступом к среде MAC и физического уровня PHY, регламентированных стандартом IEEE 802.15.4. В сочетании ZigBee и IEEE 802.15.4 описывают беспроводные персональные вычислительные сети (WPAN), ориентированные на приложения, требующие гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших скоростях и возможности длительной работы сетевых устройств от автономных источников питания (батарей). Основной особенностью технологии ZigBee является то, что она при малом энергопотреблении поддерживает не только простые топологии сети («точка-точка», «дерево» и «звезда»), но и ячеистую топологию самоорганизующихся и самовосстанавливающихся mesh-сетей с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. В такой сети, каждое устройство может связываться с любым другим устройством как напрямую, так и через промежуточные узлы сети. Ячеистая топология предлагает альтернативные варианты выбора маршрута между узлами. Сообщения поступают от узла к узлу, пока не достигнут конечного получателя. Возможны различные пути прохождения сообщений, что повышает доступность сети в случае выхода из строя того или иного звена. Первый выпуск стека протоколов, известный как ZigBee 2004, в настоящее время уже практически вышел из употребления. Второй выпуск стека называется ZigBee 2006, и, в основном, заменяет структуру MSG/KVP, использующуюся в ZigBee 2004 вместе с «библиотекой кластеров». Действующая в настоящее время версия стека протоколов ZigBee 2007 содержит два профиля стека: профиль стека № 1 (который называют просто ZigBee) для домашнего и мелкого коммерческого использования и профиль стека № 2 (который называют ZigBee Pro). ZigBee Pro предлагает больше функций, таких как широковещание, маршрутизацию вида «многие-к-одному» и высокую безопасность с использованием симметричного ключа (SKKE). Тогда как ZigBee (профиль стека № 1) занимает меньше места в оперативной и Flash-памяти. Оба профиля позволяют развернуть полномасштабную сеть с ячеистой топологией и работают со всеми профилями приложений ZigBee. ZigBee 2007 полностью совместим Структура стека протоколов ZigBee 2007 показана на рисунке 2.11. Рисунок 2.11 — Стек протоколов ZigBee 2007 В стеке протоколов ZigBee протоколы верхних уровней используют сервисы, предоставляемые протоколами нижележащих уровней. В качестве двух нижних уровней (физического и уровня доступа к среде MAC) используется стандарт IEEE 802.15.4. MAC-уровень в сети ZigBee реализует механизм CSMA/CA (прослушивания несущей и устранения коллизий), сетевой уровень NWK отвечает за маршрутизацию сообщений, а уровень поддержки приложений APS обеспечивает интерфейс с уровнем приложения. Сектор ZDO (ZigBee Device Object), связывающий три верхних уровня, отвечает за определение роли устройства в сети (будет ли являться оно координатором или конечным устройством), за инициализацию и реакцию на запросы соединения и обнаружения, а также за установление надежного и безопасного соединения между устройствами сети. Сектор SSP (Security Service Provider) осуществляет операции, связанные с обеспечением безопасности на сетевом уровне и на уровне поддержки приложения. Протоколы маршрутизации ZigBee построены на недавно разработанном алгоритме AODV (протокол динамической маршрутизации для мобильных ad-hoc сетей типа MANET и других беспроводных сетей) и NeuRFon, которые предназначены для образования ad-hoc сетей (децентрализованная беспроводная сеть, образованная случайными абонентами) или узлов. В большинстве случаев сеть является скоплением скоплений узлов. Она также может принимать форму сети или одиночного скопления. В сети ZigBee существует 4 типа узлов: координатор, роутер, спящее устройство и мобильное устройство. Главное устройство в ZigBee-сети — это координатор, который выполняет функции по формированию сети, а также одновременно является доверительным центром (trust-центром). Доверительный центр устанавливает политику безопасности и задает настройки во время подключения устройства к сети. Координатор запускает сеть с самого начала и хранит информацию о сети, включая секретные пароли. Спящие и мобильные устройства используют режимы пониженного энергопотребления. Как правило, это узлы с батарейным питанием. Обычно они играют роль датчиков или контроллеров каких-либо исполнительных устройств. Их количество диктуется потребностью конкретного приложения. Роутеры осуществляют маршрутизацию пакетов по сети и должны быть готовы к передаче данных в любой момент времени. Поэтому эти узлы не используют режимов пониженного энергопотребления и имеют стационарное питание. Их количество в сети должно быть достаточным для обслуживания требуемого количества спящих и мобильных узлов. Максимальное количество спящих или мобильных узлов, обслуживаемых одним роутером — 32. Сети ZigBee при относительно невысоких скоростях передачи данных обеспечивают гарантированную доставку пакетов и защиту передаваемой информации. Стандарт ZigBee предусматривает работу с частотными каналами в диапазонах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в принятом в РФ диапазоне 2,4 ГГц. Поэтому большинство производителей микросхем выпускают приемопередатчики именно для этого диапазона, в котором предусмотрено 16 частотных каналов с шагом 5 МГц. Скорость передачи данных вместе со служебной информацией в радиоэфире составляет 250 кбит/c. При этом средняя пропускная способность узла для полезных данных в зависимости от загруженности сети и количества ретрансляций может лежать в пределах от 5 до 40 кбит/с. Расстояния между узлами сети могут соcтавлять от 10 до 75 метров для ZigBee 2004 при работе внутри помещения и свыше 1500 метров для ZigBee PRO на открытом пространстве. Хотя эти расстояния сильно зависят от конкретных условий распространения радиосигналов. За счет ретрансляций зона покрытия сети может значительно превышать радиус действия отдельных узлов. Одна из основных идей разработки стандарта ZigBee состояла в том, чтобы обеспечить возможность совместной работы в одной беспроводной сети устройств различных производителей. Очевидно, что для обеспечения совместимости на уровне приложения устройствам ZigBee требуется некий стандартный язык общения. Для реализации этой задачи была разработана библиотека ZCL (ZigBee Cluster Library) кластеров. Кластер ZigBee похож на класс в объектно-ориентированном программировании и представляет собой совокупность: описания стандартного устройства ZigBee (осветительное устройство, диммер, выключатель, счетчик); описания стандартных атрибутов для этого устройства (вкл./выкл., яркость, показания счетчика); описания стандартных команд для этого устройства (установить уровень яркости, считать показания, включить/выключить). Кластеры имеют клиент-серверную природу. ZigBee-cервер — это устройство, которое хранит значение атрибута, в то время, как ZigBee-клиент дистанционно считывает или записывает значение этого атрибута. Например, пара стандартных устройств лампочка и выключатель могут вместе реализовать функционирование стандартного кластера «включить/выключить». При этом лампочка будет ответственна за серверную часть кластера. Она хранит значение атрибута «включено/выключено». Выключатель дистанционно устанавливает значение этого атрибута и реализует, таким образом, клиентскую часть кластера. Одно и то же устройство может содержать клиентские части одних кластеров и серверные части других. Например, выключатель в нашем примере может дополнительно содержать серверную часть кластера конфигурация, при помощи которого он будет получать информацию о режимах своей работы от конфигурирующего устройства. Библиотека ZCL группирует кластеры по функциональному признаку: общего назначения, для работы с датчиками, для управления осветительными устройствами, вентиляцией и т.д. Использование стандартных кластеров для пересылки сообщений является обязательным требованием новой спецификации ZigBee PRO Feature Set. Профилем ZigBee называется совокупность настроек программного обеспечения узлов сети, обеспечивающая их совместную работу. Спецификация профиля определяет такие параметры, как способы задания идентификационных параметров сети, режимы образования сети, способы защиты данных, используемый поднабор кластеров, который включает кластеры из разных функциональных групп библиотеки ZCL. В настоящее время альянсом ZigBee опубликованы несколько профилей приложений (см. рисунок 1.2). Кратко охарактеризуем некоторые из них. Профиль Home Automation дает возможность производителям беспроводных систем домашней автоматизации во всем мире разрабатывать совместимые устройства класса «умный дом». Он регламентирует работу таких устройств, как устройства управления осветительным оборудованием, системами кондиционирования, отопления, вентиляции и т.д. Профиль Smart Energy позволяет обеспечить беспроводную связь между устройствами домашней автоматизации и устройствами измерительной инфраструктуры коммунальной службы, занимающейся учетом энергоресурсов. Таким образом, владельцы домов и коммунальные компании могут объединить усилия для достижения наиболее эффективного и экономного потребления электроэнергии. Появляется возможность регулировать режимы энергопотребления, разгружая сеть в пиковые часы нагрузки. Профиль Light Link предназначен для реализации беспроводных систем управления осветительным оборудованием. Устройства на базе нового стандарта также просты в использование как обычные домашние регуляторы освещения. Энергосберегающие лампы, светодиодные светильники, датчики, таймеры и пульты управления, выполненные с использованием ZigBee Light Link, подключаются в единую сеть без применения каких-либо специальных координирующих устройств, что позволяет потребителям легко дополнять свои сети освещения новыми приборами. Протокол Green Power позволяет создавать автономные беспроводные устройства, получающие энергию путем сбора ее из возобновляемых источников энергии (механических, тепловых, электромагнитных и т.п.), и, благодаря этому, не нуждающиеся в батареях питания и регулярном обслуживании. Сетевые устройства Green Power получают энергию от солнца, температуры окружающей среды или механического воздействия (кинетической энергии). Например, энергии от нажатия обычного выключателя вполне достаточно, чтобы сгенерировать и отправить простое сообщение по сети ZigBee. В список устройств, в которых можно использовать такую возможность, попадают световые диммеры, выключатели, датчики температуры и движения для жилого, коммерческого и промышленного применения. Совместимость устройств Green Power с сетями ZigBee PRO в перспективе может обеспечить все достоинства стандарта ZigBee, включая работу в разрешенном во всех странах радиодиапазоне 2,4 ГГц, устойчивость в зашумленной среде, надежное сетевое взаимодействие и защиту информации. . Обзор оборудования для построения сенсорных сетей В качестве примера использования оборудования для построения БСС рассмотрим продукцию компании MaxStream, выпускающую радиочастотные модули серии XBee/XBeePro, использующими технологию ZigBee и работающими в диапазоне 2,4 ГГц [7 — 11]. .1 Общая информация о модулях XBee Series 2 Серия модулей XBee Series 2 выступает в качестве аппаратно-программной платформы, полностью соответствующей спецификации ZigBee-2006. Модули XBee Series 2 совместимы по габаритам и выводам с модулями первой серии XBee, однако построены на однокристальном ZigBee-чипе EM250 компании Ember. Компания Ember имеет в своем арсенале как аппаратные (микросхемы EM2420, EM250, EM260), так и программные (ПО EmberZStack) решения по реализации технологии ZigBee. Компания является промоутером Альянса ZigBee, входит в пятерку его крупнейших производителей и активно участвовала в разработке спецификации XBee Pro-2007. Технические параметры модулей XBee Series 2 приведены в таблице 3.1. Для сравнения приведены параметры модулей XBee и XBee Pro. Благодаря более высокой выходной мощности и чувствительному приемнику модули XBee Pro обеспечивают большую дальность связи. Энергопотребление модулей в спящем режиме снижено с 10 до 1 мкА, что очень важно для устройств с батарейным питанием. Модули выпускаются в трех вариантах подключения антенны. Внешний вид модулей показан на рисунке 3.1. Рисунок 3.1 — Модули XBee Series 2 [10]: а) UFL-разъем; б) PCB-антенна; в) SMA-разъем Таблица 3.1 — Технические параметры модулей XBee Series 2 Параметры XBee Series 2 Xbee XBee-PRO Топология сети ZigBee Mesh Точка-точка, Звезда, 802.15.4 Точка-точка, Звезда, 802.15.4 Рабочая частота, ГГц 2,4…2,4835 Радиус действия в помещении, м 40 30 100 Радиус действия в свободном пространстве, м 120 100 1200 Максимальная выходная мощность, мВт 2 1 100 Скорость передачи данных по радиоканалу, бит/с 250000 Скорость передачи данных по интерфейсу, бит/с 1200…230400 1200…115200 1200…115200 Чувствительность, дБм -98 (1% PER) -92 (1% PER) -100 (1% PER) Напряжение питания, В 2,1…3,6 2,8…3,4 2,8…3,4 Ток потребления в режиме передачи, мА 38 45 270 Ток потребления в режиме приема, мА 35 50 55 Ток потребления в режиме энергосбережения, мкА <1 <10 <10 Количество каналов 16 16 12 Шифрование AES-128 Возможности адресации в сети PAN ID — 16 бит, Адрес — 16 бит Варианты антенн Керамическая, проводная, или UFL/RPSMA-разъем Керамическая, проводная, или UFL-разъем Керамическая, проводная, или UFL-разъем Внешние интерфейсы UART, GPIO, PWM, ADC Размеры, мм 24,4 x 27,6 24,4 x 32,9 Рабочий диапазон температур, °С -40…85 Модули XBee Series 2 предназначены для построения сетей ZigBee с Mesh-топологией. Все необходимое ПО для формирования и поддержания работоспособности ZigBee-сети (ZigBee-стек) загружается при производстве модуля. В зависимости от сетевой функции узла (Координатор/Роутер/Конечное устройство) модуль XBee Series 2 должен содержать одну из двух прошивок: координатор; роутер / Конечное устройство. В связи тем, что для роутера / конечного устройства используется одна прошивка, выбор сетевой роли модуля определяется AT-командой «SM». Прошивки модулей также различаются по типу управления модулем: прозрачный режим. Управление с помощью AT-команд; пакетный режим. Управление с помощью API-фреймов. В качестве программного обеспечения для модулей XBee Series 2 используется EmberZstack 2.5 компании Ember. Этот стек включает в себя отдельные элементы спецификации ZigBee Pro, например: метод распределения адресов на основе случайных чисел. В отличие от предшествующего метода CSKIP (распределение адресов по дереву), новый алгоритм позволяет исключить вероятность нехватки адресов в одной ветви сети, при избытке в другом сегменте. В качестве единственного метода маршрутизации используется алгоритм оптимальной прокладки маршрута по запросу алгоритма AODV. Жестких ограничений на число узлов (max_children, max_routers) нет. Максимальная глубина ретрансляций (max_hops) ограничена только разумным временем ожиданием ответа. При разработке конечного устройства инженер самостоятельно выбирает один из двух типов управления модулем. Режим управления с помощью AT-команд наиболее прост и применяется для создания «прозрачных» соединений между узлами сети. Прозрачность в данном случае означает следующее: все данные, подаваемые на вход UART одного узла сети, будут передаваться на выход UART другого узла в том же виде. При этом узлы могут быть как в пределах прямой радиовидимости, так и вне нее. В последнем случае ретрансляцию сообщений будут осуществлять другие роутеры, входящие в данную сеть ZigBee. Режим управления с помощью API-фреймов позволяет более гибко управлять модулем и получать дополнительную информацию о принимаемых пакетах данных, например, адрес отправителя. Для отправляемых пакетов можно в самом теле пакета указать адрес получателя. Также при пакетном режиме после каждой отправки данных можно получать специальный пакет, уведомляющий об успешном или неуспешном прохождении пакета до точки назначения через узлы ZigBee-сети. Более подробное описание AT-команд и API-фреймов выходит за рамки настоящей пояснительной записки. Для развертывания ZigBee-сети предназначен отладочный комплект XB24-BPDK (см. рисунок 3.2). В него входят 5 модулей и пять переходных плат для подключения к ПК с помощью интерфейсов USB или RS-232. Для автономной работы модулей предусмотрены переходные кабели питания для батарей типа 9F22 («Крона»). Рисунок 3.2 — отладочный комплект XB24-BPDK [7] Состав отладочного комплекта XB24-BPDK приведен в таблице 3.2. Таблица 3.2 — Состав отладочного комплекта XB24-BPDK Состав комплекта XB24-BPDK Количество, шт 1 2 XBee Series 2 Модуль Координатора с проводной антенной 1 XBee Series 2 Модуль Роутера/Конечного устройства с проводной антенной 1 Series 2 Модуль Роутера/Конечного устройства с чип-антенной 1 XBee Series 2 Модуль Роутера/Конечного устройства с разъемом UFL 1 XBee Series 2 Модуль Роутера/Конечного устройства с разъемом RPSMA 1 RS-232 переходная плата 3 USB переходная плата 2 RS-232-кабель 3 USB-кабель 2 Полуволновой диполь с RPSMA-разъемом 2 Кабель с разъемом для подключения батареи 9 В 3 Заглушка последовательного порта 1 Адаптер нуль-модема (male-to-male) 1 Адаптер нуль-модема (female-to-female) 1 Инструкция пользователя 1 Компакт-диск с документацией, программой конфигурации и тестирования 1 Переходной кабель для подключения антенны (RPSMA — U.FL) 1 .2 Запуск простейшей ZigBee-сети Запуск ZigBee-сети должен включать в себя Осуществляется запуск Координатора сети: . Определяется список рабочих каналов и PAN ID с помощью команды SC (Scan Channels) и команды ID (PAN ID). По умолчанию, значение параметра SD (Scan Duration) должно быть достаточно. Если эти значения изменены, то их необходимо сохранить в энергонезависимой памяти с помощью команды WR (Write). . Если с помощью параметра D5 (DIO5 Configuration) активирован светодиод индикации, он будет мигать раз в секунду после запуска Координатора. Если активирован режим управления с помощью API-фреймов (параметр AP > 0): статус режима API «Координатор стартовал» отсылается из UART. . Параметр AI (Association Indication) будет установлен 0, что означает успешный запуск. . Параметр MY (16-битный адрес источника) равен 0 (16-битный сетевой адрес ZigBee Координатора). . После запуска Координатор позволит присоединение к сети в течении времени NJ (Node Join Time). . Рекомендуется настроить в Координаторе строковый идентификатор NI (NI-строку). Эта NI-строка должна быть сохранена в постоянной памяти с помощью команды WR (Write). Затем в сеть добавляется дочернее устройство (Роутер): . Определяется список рабочих каналов (SC) и желаемый PAN ID для присоединения к сети (ID) (0xFFFF — для любой сети). По умолчанию, значение параметра SD (Scan Duration) должно быть достаточно. Если эти значения изменяются со значений по умолчанию, их необходимо сохранить в постоянной памяти с помощью команды WR (Write). . После включения Роутер попробует найти родительское устройство для присоединения на основе его параметров SC и ID. . Как только Роутер присоединился к родительскому устройству, Ассоциированный LED (если активирован (D5)), начнет мигать 2 раза в секунду. Параметры ID и CH будут содержать рабочий PAN ID и текущий канал. Параметр MY будет содержать 16-битный сетевой адрес Роутера. Команда MP возвратит 16-битный сетевой адрес родительского устройства Роутера (узла, к которому он присоединился). Если активирован API (параметр AP > 0): статус режима API «Присоединен» отсылается из UART. . Если Роутер не присоединился надлежащим образом, параметр AI (Association Indication) может быть считан для определения причины ошибки. Для устранения ошибки необходимо проверить, что PAN содержит Координатор или Роутер с соответствующим каналом (SC, CH) и PAN ID (ID) и разрешает узлам присоединяться к сети (параметр NJ). . Как только Роутер присоединился к PAN, Роутер позволит присоединение другим устройствам на основе параметра NJ. . Рекомендуется настроить в Роутере NI-строку. Эта NI-строка должна быть сохранена в постоянной памяти с помощью команды WR (Write). Для развертывания простейшей сети ZigBee на базе отладочного комплекта XB24-BPDK достаточно проделать следующие действия: . Установить на ПК USB драйвер и программу X-CTU с приложенного к отладочному комплекту CD-диска. . Установить модули XBee на переходные платы, подключить антенны. . Подключить одну USB-переходную плату к ПК. Запустить программу X-CTU и, при необходимости, обновить FW модулей, что бы в сети был один координатор и четыре роутера с управлением AT-командами. . С помощью закладки Modem Configuration необходимо присвоить простой строковый идентификатор (NI) каждому модулю, например 1, 2, 3, 4, 5. Сохранить измененные параметры кнопкой «Write» в энергонезависимую память каждого модуля. . Далее следует перейти в режим Terminal, для чего нажать на клавиатуре ПК три раза «+» (без паузы). После того, как модуль ответит «OK», ввести с клавиатуры ATNR0 и нажать «Enter». Эта команда сбрасывает сетевые настройки модуля. Это необязательный пункт, но он может понадобиться, если в роутерах сохранены старые сетевые настройки. . Подключить координатор к ПК. Запустить программу X-CTU. На плате координатора начнет мигать светодиод с периодом один раз в секунду. Такая индикация означает успешный старт Координатора. . Поставить красную заглушку на одну из переходных плат RS-232, например на которой установлен роутер с NI = «2». . Последовательно подать питание на все роутеры (4 шт.). При возможности, подключить вторую USB-переходную плату с одним из установленных роутеров ко второму ПК (лучше, если это будет ноутбук). При успешном присоединении к сети на каждой плате роутеров будет 2 раза в секунду мигать светодиод. . Подать команду (закладка Terminal) ATND на любую из плат, подключенных к ПК. Координатор будет опрашивать вашу сеть и через 6 секунд вы увидите список узлов с их 64-битными адресами и строковыми идентификаторами. . По образцу п. 5 подать команду ATDN2. Тем самым будет проложен маршрут к роутеру «2». Перейти на закладку Range Test, нажать кнопку Advanced и увеличить параметр Data Receive Timeout до 5000. Это может оказаться полезным, если сеть сама будет перепрокладывать маршрут. 11. Запустить Range Test кнопкой Start. Если все сделано правильно, вы увидите возвращенные от роутера «2» пакеты. Естественно, для проведения теста не обязательно, чтобы между координатором и нашим роутером «2», была прямая радиовидимость, информация может ретранслироваться другими узлами. .3 Спящие узлы в ZigBee-сети Конечные устройства в сети ZigBee имеют свои особенности и ограничения. Для подключения к сети каждое конечное устройство должно иметь в зоне своей радиовидимости хотя бы один роутер или координатор — будущее родительское устройство. Процесс подключения предполагает стандартную для любого ZigBee-устройства последовательность действий: сканирование сетки частотных каналов (ограниченных маской SC), сопоставление параметров доступных сетей с заданными значениями ID, ZS; получение сетевого адреса от родительского После успешного подключения конечное устройство может обмениваться данными с другими устройствами в сети, однако оно не может ретранслировать чужие пакеты или разрешать присоединение другим устройствам. Конечное устройство в своей работе в значительной мере полагается на родительское устройство, через которое передаются и принимаются все сообщения. Только конечные устройства могут переходить в спящий режим и, следовательно, работать от батарей продолжительное время. Спящий режим является основным режимом их работы. Во время сна конечное устройство отключает все свои внутренние узлы (кроме таймера), что позволяет снизить ток потребления до уровня 1 мкА. В это время конечное устройство сохраняет установленные уровни на своих цифровых выходах, однако не может принимать радиопакеты и вести обмен данными через последовательный порт. Тем не менее, сообщение, отправляемое ему по эфиру, не потеряется — оно будет храниться на родительском устройстве до окончания периода сна. Из-за ограниченного объема оперативной памяти для хранения пересылаемых сообщений каждый роутер может выступать «родителем» для ограниченного числа конечных устройств. В модулях XBee серии S2 один роутер может подключить до 20 конечных устройств и хранить не более 1 сообщения для каждого устройства. Роутер XBee серии ZB может подключить 12 конечных устройств. При создании сети с большим количеством конечных устройств необходимо позаботиться о достаточном числе роутеров. Команда NC позволяет получить информацию о количестве конечных устройств, которое еще способен подключить роутер. Конечное устройство обменивается данными только со своим родительским устройством, при этом родительское устройство берет на себя все функции по маршрутизации данных удаленному узлу в ZigBee-сети (обнаружение адреса и прокладку маршрута). Инициатором радиообмена между конечным и родительским устройством всегда является конечное устройство. Находясь в активном режиме (не в режиме сна) конечное устройство постоянно запрашивает родительское устройство на наличие данных, отсылая запросы Poll Request. Период повтора запросов задается параметром PO (100 мс по умолчанию). В ответ на каждый запрос от «родителя» приходит ответ-подтверждение Ack, который, во-первых, информирует о наличии двусторонней связи, во-вторых, содержит информацию — есть ли у «родителя» какое-либо ожидающее сообщение. Если сообщение есть, то конечное устройство не переходит в режим сна, а посылает следующий Poll Request, в ответ на который получает хранящееся у «родителя» сообщение. Далее конечное устройство продолжает отсылать запросы Poll Request до тех пор, пока не пройдет время ST после последней порции отправленных или полученных данных. Если при пробуждении конечного устройства в ответ на первый Poll Request «родитель» отвечает, что у него нет данных для передачи, то конечное устройство немедленно переходит в режим сна, не дожидаясь истечения времени ST. Этот минимальный цикл активности имеет продолжительность примерно 10 мс, потребление тока при этом максимально, т.к. в течение этого времени включается передатчик или приемник. Таким образом, даже без обмена полезными данными, неспящее конечное устройство занимает эфир запросами Poll Request и ответами «родителя» (см. рисунок 3.3), затрудняя обмен информацией между другими устройствами в ZigBee-сети. Данное обстоятельство следует принимать в расчет лишь при большом количестве конечных устройств, сконцентрированных в одном месте (более нескольких десятков). Для снижения нагрузки на сеть (и потребляемого конечным устройством тока) следует минимизировать время нахождения конечных устройств в активном режиме. Рисунок 3.3 — Обмен данными с родительским Основной способ сохранения энергии батарей — максимально долгое нахождение конечного устройства в режиме сна (определяется параметрами SP и SN), это время может достигать трех недель. Однако роутер может хранить сообщения максимум 28 с, поэтому спящее дольше этого времени конечное устройство не может гарантированно получать данные, отправленные ему в произвольный момент времени. С помощью параметра SO можно менять поведение модуля XBee в режиме сна — включать так называемый «продолжительный» или «короткий» сон. Продолжительность работы спящего устройства от батареи зависит от ряда параметров: емкости батареи, периода сна, времени нахождения в активном режиме. При использовании батареи типоразмера D (EEMB ER34615M, емкость 19 А/ч) можно обеспечить 10 лет бесперебойной работы XBee-модуля, отправляющего сообщения каждую минуту. Находясь в активном режиме, конечное устройство включает радиочасть (передатчик/приемник) только на относительно небольшое время. На рисунке 3.4 приведена кривая потребления тока при выходе спящего модуля из режима сна. Измерение проводилось на резисторе 10 Ом, включенном в разрыв земляного провода. В данном минимальном цикле модуль XBee не получает/отправляет полезные данные, а лишь отсылает один запрос Poll Request и, получив ответ «родителя»: «данных для передачи нет», уходит на следующий период сна. Время нахождения в активном режиме не превышает ~ 10 мс при этом потребление тока максимально (40 мА) только при включении трансивера на время ~ 5мс. Таким образом, средний реальный ток потребления конечного устройства всегда будет меньше, чем указанный в документации для маломощного модуля XBee ZB ток 40 мА Рисунок 3.4 — Ток потребления конечного .4 Спящий датчик температуры В качестве примера конечного спящего устройства рассмотрим беспроводной датчик температуры, состоящий из модуля XBee, простого 8-разрядного микроконтроллера (МК) PIC16F630 и популярного цифрового датчика температуры DS18B20, схема которого изображена на рисунке 3.5. Датчик работает в ZigBee-сети, являясь дочерним устройством координатора. Датчик отправляет измеренное значение температуры один раз в минуту. Разрешающая способность устройства — 0,1 ºС. Ключ на полевом транзисторе IRLML6402 подает питание на DS18B20 на период измерения. Светодиод HL1 мигает один раз в минуту, индицируя отправку пакета. Светодиод HL2 зажигается каждые пять секунд на время выхода модуля XBee из режима сна. Рисунок 3.5 — Схема «спящего» датчика температуры [11] Схема реализует следующий алгоритм работы: . Модуль XBee работает как конечное спящее . При каждом просыпании (каждые 5 с), модуль XBee устанавливает в 0 линию CTS, что является источником прерывания для МК, находящегося в режиме Sleep. . При каждом прерывании МК увеличивает на 1 свой внутренний счетчик. . На каждом 11 прерывании подается питание на DS18B20, и запускается цикл измерения температуры длительностью ~ 750 мс. Измеренное значение сохраняется, и МК снова уходит в режим сна. . На каждом 12 прерывании измеренная температура отправляется на координатор в виде API-пакета. Внутри пакета температура представлена в текстовом виде (ASCII). После отправки температуры с помощью команды SI модуль XBee принудительно переводится в режим сна. Это сделано для того, чтобы сэкономить энергию батареи и не дожидаться окончания времени ST. Листинг основного цикла программы приведен на рисунке 3.6. При указанных настройках расчетное время автономной работы узла составляет более года при использовании батареи 1200 мА/ч (EEMB ER1420). Рисунок 3.6 — Основной цикл программы отправления измеренной температуры в виде API-пакета [11] 4. Проблемы и перспективы развития сенсорных сетей Можно констатировать, что в настоящее время становятся доступными средства разработки и реализации БСС второго и третьего поколения. Это означает, что систематические и тактические ошибки первого поколения БСС, теряют свою актуальность. Поэтому начинается этап интенсивного расширения областей применения сенсорных сетей и внедрения их в практику. Опубликованные в течение 2009 — 2011 г.г. вторые и третьи версии основных стандартов и протоколов БСС, расширяющие функциональность возможных технических решений, свидетельствует о глубоком понимании теретических и прикладных проблем, связанных с созданием сенсорных сетей, и о достижении зрелости принципиальных практиченских решений. Вместе с тем продолжается процесс дифференциации, сегментации и специализации БСС. Этот тезис подтверждается продолжающейся разработкой прикладных профилей Альянсом ZigBee. Одновременно усиливается множественная конкуренция между проприетарными и стандартными реализациями БСС, а также между самими принципиальными решениями и стандартами. Резкий рост количества компаний-участников различных консорциумов, стремящихся воплотить в жизнь концепции «Интернет вещей» и «Умная пыль», свидетельствует о высокой перспективности этих рынков. Появление таких продуктов как отладочные комплекты БСС типа рассмотренного в главе 3 отладочного комплекта XB24-BPDK компании MaxStream свидетельствует о том, что проблемы моделирования развертывания сенсорных сетей произвольной конфигурации, характерные для первого поколения БСС, также начинают утрачивать свою актуальность. Налаживается серийный выпуск модулей беспроводных сетей, созданных на системах-на-кристалле, что является предпосылкой их массового распространения и снижения стоимости сетей. Энергопотребление конечных устройств приближается к приемлемым значениям, позволяя эксплуатировать такие устройства без технического обслуживания и замены батарей в течение длительного времени, превышающего календарный год. Основным сдерживающим фактором распространения БСС можно считать их высокую стоимость. Вместо характерной для первого поколения цены 150-300 $/узел, стоимость второго поколения снизилась до 38-50 $/узел. Однако до декларированного ранее порога 5 $/узел, необходимого для действительного массового воплощения БСС в практику человеческого бытия, остается весьма большая дистанция. Заключение В настоящей пояснительной записке на тему «Анализ технологий сенсорных сетей» сделан исторический обзор развития сенсорных сетей с момента появления этой концепции в 1970-1980 г.г. ХХ века. Сформулированы основные критерии создания БСС и рассмотрены основные и наиболее перспктивные технологии их создания. Показано, что возможны как проприетарные, так и стандартизованные технологии. Также следует ожидать обострения конкурентной борьбы между ними, которая будет продожаться до тех пор, пока не появятся действительно открытые и общедоступные стандарты, учитывая гигантский потенциал будущих рынков реализации концепций «Интернет вещей» и «Умная пыль». Рассмотрены существующие практические решения и возможности их применения для создания простейших беспроводных mech-сетей из покупных элементов на основе системы стандартов ZigBee / IEEE 1802.15.4. Проведен анализ существующего положения дел и показано, что появление стандартов, прикладных решений и систем-на-кристалле второго и третьего поколений свидетельствует о возможности массового распространения БСС и их широко внедрения в повседневную практику. Основным сдерживающим фактором такого распространения является пока существующая эксклюзивность подобных реализаций, обусловленная сохранением высокой стоимости практических решений. Список литературы [Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/diplomnaya/sensornyie-datchiki/ 1. Баранова Е. IEEE 802.15.4 и его программная надстройка ZigBee. -Телемультимедиа, 8 мая 2008 г. — <http://www.telemultimedia.ru/art.php?id=292>. . Гепко И.А., Олейник В.Ф., Чайка Ю.Д., Бондаренко А.В. Современные беспроводные сети: состояние и перспективы развития. — К.: «ЕКМО», 2009. — 672 с. . Калачев А. Для мобильных стражей: беспроводной стандарт Bluetooth Low Energy в системах безопасности. — Новости электроники, 2013, № 1. . Клименко Н.Е., Сергиевский М.В., Сыроежкин С.Н. Применение беспроводных сенсорных сетей для оценки состояния критически важных объектов. — «НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2009». Том V, с. 63-66. . Мальцев П.П., Пономарев К.М., Степанов Ю.И. «Умная пыль» на основе микросистемной техники. — Микросиситемная техника, 2000, № 4, с. 40-45. . Панфилов Д., Соколов М. Введение в беспроводную технологию ZigBee стандарта 802.15.4. — Электронные компоненты, 2004, № 12, с. 73-79. . Пушкарев О. ZigBee-модули XBee Series 2 с поддержкой Mesh-топологии. — Новости электроники, 2007, № 16. . Пушкарев О. Передача данных в ZigBee-сети с помощью модулей XBee ZNet 2.5. — Новости электроники, 2008, № 3. . Пушкарев О. ZigBee-модули XBee: вопросы практического применения. — Беспроводные технологии, 2009, № 3, с. 18-21. . Пушкарев О. Программируемые модули XBee серии S2B. — Беспроводные технологии, 2010, № 3, с. 20-23. . Пушкарев О. Использование конечных спящих узлов в сети ZigBee. — Электронные компоненты, 2011, № 5, с. 91-95. . Смурыгин И.М. Концепция организации беспроводных сенсорных сетей и их применение. — Молодежный научно-технический вестник / ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана», 2012, № 9. . Трифонов С.В., Холодов Я.А. Исследование и оптимизация работы беспроводной сенсорной сети на основе протокола ZigBee. — Компьютерные исследования и моделирование, 2012, т. 4, № 4, с. 855−869.