3. sistem de comanda radio unidirectionalaccsea.ro/cconstantinescu/rc/prelegeri/rc.pdf · la nivel...
TRANSCRIPT
3. Sistem de comanda radio unidirectionala
Exista in prezent o gama larga de module radio destinate comunicatiei utilizand
diferite benzi de frecventa, majoritatea fiind dezvoltate pentru benzile libere. Un exemplu
relevant sunt modulele radio TLC2H-433-5 (emitator) – fig 3.1, respectiv HVR2-433-5
(receptor) – fig. 3.2, ambele fiind produse de firma Radiometrix. Asa cum poate fi usor
observat din denumirea celor doua module, acestea opereaza in jurul frecventei de 433 MHz,
putand comunica in 32 de canale avand o latime de banda de 25 kHz.
Cateva dintre caracteristicile principale ale celor doua module sunt:
- conformitate cu standardele EN 300 220-3 si EN 301 489-3;
- poate fi utilizat la transfer de date cu viteze de pana la 5 kbps (pentru modulele
standard);
- utilizabile la distante de pana la 500 m;
- necesita putere mica pentru sursa de alimentare;
- dispune de interfata RS232 pentru reprogramare;
- puterea de emisie 10 mW (doar pentru TLC2H-433-5 pentru a se incadra in
cerintele impuse de autoritati pentru a beneficia de gratuitatea utilizarii benzii de
frecventa);
- imunitate la vibratii mecanice de pana la 500 Hz (doar pentru HVR2-433-5).
Cateva domenii de aplicatii in care cele doua module isi pot gasi locul sunt:
- terminale portabile;
- echipamente EPOS, cititoare de coduri de bare;
- data-logger-e;
- echipamente industriale pentru telemetrie si telecomanda;
- monitorizare si control in cladiri;
- sisteme de securitate si alarmare impotriva incendiilor;
- sisteme dedicate vehiculelor pentru transferul datelor;
- comanda si controlul utilajelor industriale grele s.a.
Cele doua module avand structura de emitator, respectiv receptor nu pot fi utilizate
decat pentru transferul unidirectional de date (este vorba, evident, de o singura pereche de
module). In cazul in care se doreste transferul bidirectional de date se poate folosi o pereche
de transceiver-e (care pot atat emite cat si receptiona) fie doua perechi emitator – receptor.
Fiecare dintre cele doua alegeri are atat avantaje cat si dezavantaje (difera prin pretul de cost,
dar si prin modalitatea de transmisie a datelor, deci prin viteza globala de transfer).
Un exemplu de implementare a doua echipamente ce pot comunica radio este
prezentat in fig. 3.3 (circuit emitator), respectiv in fig. 3.4 (circuit receptor). Asa cum se
poate observa, pentru transmisia datelor s-a utilizat intrarea de date a modulului radio
emitator, insa receptia s-a realizat pe iesirea de audiofrecventa a modulului receptor.
Prelucrarea semnalului receptionat pe audiofrecventa se face prin intermediul unui modul de
comparare realizat cu un AO si un comparator analogic – fig. 3.4.
Fig. 3.1 Schema bloc a modulului TLC2H-433-5
Fig. 3.2 Schema bloc a modulului HVR2-433-5
Fig. 3.3 Circuitul electronic emitator
Fig. 3.4 Circuitul electronic pentru receptor
Distanta la care pot fi utilizate modulele radio este direct dependenta de tipul antenei
utilizate (elicoidala, bucla, fir lung) – fig. 3.5, fig. 3.6.
Fig. 3.5 Tipuri de antene recomandat a fi utilizate impreuna cu modulele radio TLC2H si
HVR2 (433MHz)
Fir lung
(whip antenna)
Elicoidala
(helical antenna)
Bucla
(loop antenna)
Performanta *** ** *
Usurinta in proiectare *** ** *
Gabarit * *** **
Imunitate de
proximitate
* ** ***
Distanta de operare 500 m 200 m 100 m
Fig. 3.6 Clasificarea antenelor functie de performante
4. Tehnologia IoT (Internet of Things)
Conceptul Internet of Things este un pas normal in evolutia Internetului. Foarte
succint spus, IoT (Internetul lucrurilor sau Internetul chestiilor) inseamna conectarea la
Internet a oricarui produs ce poate beneficia de o astfel de conexiune. Interconectivitatea este
in prezent asigurata prin includerea intr-o multitudine de echipamente industriale,
echipamente medicale, electrocasnice, utilaje, vehicule, traductoare... etc. a unor module de
comunicatie (radio in special) ce permit conectarea intr-o retea, module ce au fost in
permanenta miniaturizate datorita progreselor tehnologice de ultima ora.
Fig. 4.1Exemple de “lucruri” conectate in IoT
Un studiu realizat de CISCO releva faptul ca pana in anul 2020 in sfera IoT vor fi
conectate la Internet peste 50 de miliarde de “lucruri” – fig. 4.2.
Fig. 4.2 Cresterea numarului “lucrurilor” conectate in IoT
Desi IoT este un concept ce nu face diferenta intre echipamente (de uz personal sau
industriale, medicale sau cu specific agricol...), in momentul de fata IoT este apanajul
industriilor. Dealtfel, IoT si-a dezvoltat o ramura IIoT (Industrial IoT) sau, intr-o exprimare
mai colorata, Internet of Unsexy Things. IIoT face in prezent posibila interconectarea
utilajelor dintr-o fabrica moderna permitand astfel eficientizarea productiei. Dezvoltarea
continua a tehnologiilor in acest domeniu, tehnologii ce permit cresterea productiei prin
eficientizarea proceselor specifice necesita, insa, si retehnologizari continue. Se estimeaza ca
un ciclu de reinnoire (din punct de vedere al interoperabilitatii performante) este de 3 pana la
7 ani. Cu alte cuvinte, pentru a face fata la avansul tehnologic, o companie trebuie sa isi
retehnologizeze procesele de productie dupa 3 – 7 ani. Daca un astfel de ciclu este omis, cu
greu va fi recuperat avansul tehnologic dupa un inca un ciclu si aproape imposibil ulterior (cu
cheltuieli foarte mari, uneori de nesuportat de catre o companie). Dezvoltarea pe scara mai
larga a “lucrurilor” ce au ca utilizator direct consumatorul simplu este, in prezent, usor
incetinita nu de costuri, de pretul final (care din motive de comercializare se doreste a fi cat
mai mic) ci in primul rand de securitatea inca precara a conexiunilor (impuse de costurile
mici de vanzare). Un nod (un lucru) din IoT poate fi usor de compromis in conditiile unui
pret de cost decent. Trebuie, deci, ajuns la un echilibru intre un grad sporit de securitate si un
pret de cost viabil care sa permita vanzarea respectivului produs.
IoT poate fi privit ca si parte componenta a unui concept mult mai amplu si anume
IoE (Internet of Everything). IoE cuprinde patru elemente cheie incluzand toate
interconexiunile imaginabile:
- Oameni – considerati ca noduri finale conectate la Internet ce impartasesc
informatii si activitati (de exemplu retelele sociale dar si senzorii de sanatate sau
fitness);
- Lucruri–aici lista este foarte complexa si includ senzori, dispozitive, actuatori,
elemente de actionare... care genereaza date sau primesc informatii de la alte
surse;
- Date–contin acele colectii de date primare ce permit dupa analiza si procesare
luarea unor decizii inteligente. Un exemplu il poate constitui un jurnal de
temperatura dintr-o cladire de birouri care va permite prin analiza evaluarea unor
cerinte optime de incalzire / racire astfel incat consumurile energetice sa fie
minimizate.
- Procese–permit interconectarea oamenilor, a lucrurilor si a datelor pentru a aduce
plus valoare.
Este important de subliniat faptul ca IoT nu este legat in mod direct de un protocol
anume. O serie importanta de protocoale permit interconectarea intr-o retea IoT fara a-i fi
afectate performantele. Sigur, un protocol sau altul, o tehnologie sau alta se reflecta direct in
viteza de transfer al datelor, in distantele de transmise si nu in ultimul rand in consum. Una
sau alta dintre tehnologii se alege functie de ceea ce se doreste a fi capabil sa faca
echipamentul / dispozitivul / utilajul... O reprezentare comparativa intre tehnologiile radio
uzuale de transfer de date poate fi relevanta vis-a-vis de aplicatia ce se doreste a fi
implementata (fig. 4.3 – fig. 4.5).
Fig. 4.3 Plasarea tehnologiilor de transmisie radio a datelor in domeniul acoperire / banda
de frecventa
Fig. 4.4Clasificarea tehnologiilor de transmisie radio a datelor in functie de distanta
Fig. 4.5Analiza comparativa a trei tehnologii actuale utilizate pentru transferul radio al
datelor
Cateva dintre protocoalele importante ce permit integrarea in retele IoT sunt:
Bluetooth
- Standard: Bluetooth 4.2
- Frecventa: 2.4GHz
- Distanta: 50-150m (Smart/BLE – BLE = Bluetooth Low Energy)
- Rata transfer: 1Mbps (Smart/BLE)
Zigbee
- Standard: ZigBee 3.0 bazat pe IEEE802.15.4
- Frecventa: 2.4GHz
- Distanta: 10-100m
- Rata transfer: 250kbps
Z-Wave
- Standard: Z-Wave Alliance ZAD12837 / ITU-T G.9959
- Frecventa: 900MHz (ISM)
- Distanta: 30m
- Rata transfer: 9.6/40/100kbit/s
6LowPAN
- Standard: RFC6282
- Frecventa: adaptata la mai multe medii de transfer, incluzand
Bluetooth Smart (2.4GHz) sau ZigBee sau low-power RF (sub-
1GHz)
- Distanta: N/A
- Rata transfer: N/A
Thread
- Standard: Thread, based on IEEE802.15.4 and 6LowPAN
- Frecventa: 2.4GHz (ISM)
- Distanta: N/A
- Rata transfer: N/A
WiFi
- Standard: Bazat pe 802.11n
- Frecventa: 2.4GHz si 5GHz
- Distanta: Aproximativ 50m
- Rata transfer: maxim 600 Mbps, dar 150-200Mbps este tipica,
depinzend de canalul de frecventa utilizat si de numarul de antene
(ultimul standard 802.11-ac ofera o viteza de 500Mbps pana la
1Gbps)
Cellular
- Standard: GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE
(4G)
- Frecventa: 900/1800/1900/2100MHz
- Distanta: 35km max.pentru GSM; 200km max.pentru HSPA
- Rata transfer (tipica; la download): 35-170kps (GPRS), 120-
384kbps (EDGE), 384kbps-2Mbps (UMTS), 600kbps-10Mbps
(HSPA), 3-10Mbps (LTE)
NFC (Near
Field
Communica
tion)
- Standard: ISO/IEC 18000-3
- Frecventa: 13.56MHz
- Distanta: 10cm
- Rata transfer: 100–420kbps
Sigfox
- Standard: Sigfox
- Frecventa: 900MHz
- Distanta: 30-50km (mediu rural), 3-10km (mediu urban)
- Rata transfer: 10-1000 bps
Neul
- Standard: Neul
- Frecventa: 900MHz (ISM- Industrial, Scientific and Medical),
458MHz (UK), 470-790MHz (White Space - In telecomunicatii,
“white space”se referala frecventele alocate pentru difuzare si
neutilizate local)
- Distanta: 10km
- Rata transfer: De la cativa bps la 100kbps
LoRaWAN
- Standard: LoRaWAN
- Freventa: variate
- Disstanta: 2-5km (mediu urban), 15km (mediu suburban)
- Rata transfer: 0.3-50 kbps.
5. LoRa si LoRaWAN
5.1 Notiuni generale
LoRa este un nivel fizic sau un tip de modulatie wireless utilizat pentru realizarea de
interconexiuni pe distante lungi. Cele mai multe sisteme wireless utilizeaza in prezent
modulatia FSK (Frequency Shifting Keying) la nivel fizic pentru ca acest tip de modulatie se
preteaza foarte bine la comunicatiile cu consum redus. LoRa are la baza modulatia CSS
(Chirp Spread Spectrum) care mentine aceleasi caracteristici de putere necesara redusa ca si
modulatia FSK insa creste semnificativ distanta de utilizare. Modulatia CSS a fost utilizata
decenii la rand in comunicatiile militare si in cele spatiale datorita distantelor lungi ce pot fi
atinse si a robustetii la interferente, insa LoRa este prima implementare cu costuri reduse
pentru utilizare comerciala.
Avantajele LoRa au determinat integrarea pe scara larga in mai multe tari a unor
retele ce utilizeaza aceasta tehnologie, dezvoltarea si interesul fata de acest tip de comunicatii
crescand extrem de rapid. Acest lucru poate fi usor de observat daca se urmareste cresterea
numarului de implementari la nivel global, numar gestionat de alianta LoRa (LoRa Alliance)
– fig. 5.1 – 5.5.
Fig. 5.1 Adoptarea la nivel global a tehnologiei LoRa in luna iunie, 2017
Fig. 5.2 Adoptarea la nivel global a tehnologiei LoRa in luna septembrie, 2017
Fig. 5.3 Adoptarea la nivel global a tehnologiei LoRa in luna octombrie, 2017
Fig. 5.4 Adoptarea la nivel global a tehnologiei LoRa in luna noiembrie, 2017
Fig. 5.5 Adoptarea la nivel global a tehnologiei LoRa in luna martie, 2018
Modulatia LoRa utilizeaza impulsuri modulate in frecventa de banda larga, frecventa
acestora crescand sau scazand intr-o anumita perioada in vederea codificarii informatiei.
Tehnologia de modulatie LoRa a crescut fara precedent nivelul de sensibilitate al
receptoarelor. Modemurile radio LoRa pot receptiona semnale radio de pana la 10 ori mai
slabe decat in cazul oricaror altor receptoare.
LoRaWAN defineste protocolul de comunicatie si arhitectura sistemelor ce utilizeaza
la nivel fizic modulatia LoRa. Protocolul si arhitectura unei retele au cea mai mare influenta
in determinarea consumului de energie (deci a duratei de viata a bateriilor) pentru nodurile
retelei, capacitatea retelei, calitatea serviciilor, securitate si varietatea aplicatiilor ce deservesc
reteaua.
Arhitectura retelei
Majoritatea retelelor existente utilizeaza o topologie de tip plasa. Intr-o astfel de retea
un nod retransmite informatia catre alte noduri pentru a creste distantele fizice de
implementare (aria de acoperire). Aceasta modalitate de crestere a acoperirii conduce, insa, la
cresterea complexitatii retelei si, de asemenea, la reducerea duratei de viata a bateriilor ce
alimenteaza nodurile autonome. O topologie mult mai practica pentru reducerea consumului
este cea de tip stea.
Intr-o retea LoRaWAN (fig. 5.6) nodurile retelei nu sunt asociate unui gateway
specific (un gateway este un echipament ce conecteaza doua (sub)retele ce utilizeaza
protocoale diferite). In schimb, datele transmise de un nod al retelei sunt receptionate de mai
multe gateway-uri. Fiecare gateway va redirectiona pachetul primit de la un nod catre
serverul de retea (in cloud) printr-un mod oarecare de interconectare (Ethernet, satelit, Wi-Fi
sau conexiune celulara). Gradul de “inteligenta” si complexitatea este impinsa, astfel, catre
serverul de retea care are o serie de responsabilitati: gestiunea retelei si filtrarea pachetelor
redundante, verificarea securitatii, programarea interconectarii prin gateway-ul optim,
utilizarea unei rate de transfer adaptive etc. Acest mod de operare face ca in cazul unui nod
mobil sa nu fie necesara trecerea de la un gateway la altul, ceea ce reprezinta o caracteristica
fundamentala in aplicatiile specifice IoT.
Fig. 5.6Structura unei retele LoRaWAN
Durata de viata a bateriilor (pentru nodurile autonome)
Nodurile intr-o retea LoRaWAN sunt asincrone si comunica atunci cand au date
pregatite pentru transmisie indiferent ca transmisia este programata sau generata de un
eveniment. Acest tip de protocol este denumit de obicei metoda Aloha. Intr-o retea de tip
plasa sau intr-o retea sincrona (cum este reteaua celulara) nodurile trebuie frecvent sa se
“trezeasca” pentru a se sincroniza cu reteaua. Aceasta sincronizare este mare consumatoare
de energie, fiind factorul principal in reducerea duratei de viata a bateriilor. Intr-un studiu
recent realizat de fundatia GSMA in legatura cu diferitele tehnologii ce adreseaza spatiul
LPWAN (Low Power WAN) s-a aratat ca LoRaWAN este de 3 pana la 5 ori mai eficienta din
punct de vedere al consumului energetic.
Capacitatea retelei
Pentru ca o retea de tip stea sa fie viabila gateway-urile trebuie sa aiba o capacitate
foarte mare, deci sa fie capabile sa receptioneze mesaje de la un numar mare de noduri.
Capacitatea ridicate intr-o retea LoRaWAN este realizata prin utilizarea deopotriva a ratelor
de transfer adaptive dar si a integrarii in gateway-uri a mai multor transceive-re multicanal,
astfel incat sa fie posibila receptionarea simultana a mai multor mesaje.
Clase de dispozitive
Dispozitivele finale dintr-o retea LoRaWAN deservesc diferite aplicatii si au, ca
urmare, diferite cerinte. In vederea optimizarii varietatii profilelor de aplicatii, LoRaWAN
utilizeaza diferite clase pentru dispozitive (fig. 5.7). Clasificarea dispozitivelor LoRa pun in
balanta latenta comunicatiei downlink si durata de viata a bateriei. Se ia in considerare acest
raport datorita faptului ca latenta in conexiunea ce realizeaza transferuri downlink este extrem
de importanta in anumite aplicatii (de exemplu in cele de comanda si control).
Fig. 5.7 Clasificarea dispozitivelor (nodurilor) dintr-o retea LoRaWAN
Dispozitivele din clasa A permit comunicatii bidirectionale coordonate de necesitatea
de transmisie de date de catre dispozitiv spre retea. Conexiunea downlink este deschisa
ulterior transferului uplink pentru 2 secvente scurte de transfer. Transferul de date pentru
aceasta clasa este, astfel, bazat pe nevoile proprii de comunicare. Aceasta clasa este cea mai
eficienta din punct de vedere al consumului de energie insa, transferul dinspre server este
acceptat doar imediat dupa o secventa de transmisie proprie de date.
Dispozitivele din clasa B, spre deosebire de cele din clasa A deschid canal de receptie
dupa un program prestabilit. Pentru a prelua mesajul, dispozitivele din clasa B primesc de la
gateway un semnal de sincronizare de timp, ceea ce face posibila preluarea de mesaje la
momente de timp prestabilite.
Dispozitivele din clasa C permit receptia de date continuu, ele neavand intarzieri de
receptie date.
Securitate
Este foarte important pentru orice retea LPWAN sa includa securitate. LoRaWAN
incorporeaza doua nivele de securitate: unul pentru retea si unul pentru aplicatie. Securitatea
retelei asigura autenticitatea nodului in retea in timp ce securitatea la nivelul aplicatiei asigura
lipsa de acces la datele de aplicatie ale utilizatorului final de catre operatorul de retea.
Benzi de frecventa utilizate de tehnologia LoRaWAN
O atentie deosebita atunci cand se dezvolta un produs trebuie acordata benzilor de
frecventa in care se opereaza. Este foarte important acest aspect deoarece un echipament
compatibil LoRaWAN in Romania nu poate fi, de exemplu, utilizat in Australia.
Nr. crt. Tara / Regiune Banda de frecventa
1 Europa 863 – 870 MHz
Uplink:
1. 868.1 - SF7BW125 la SF12BW125
2. 868.3 - SF7BW125 la SF12BW125 si
SF7BW250
3. 868.5 - SF7BW125 la SF12BW125
4. 867.1 - SF7BW125 la SF12BW125
5. 867.3 - SF7BW125 la SF12BW125
6. 867.5 - SF7BW125 la SF12BW125
7. 867.7 - SF7BW125 la SF12BW125
8. 867.9 - SF7BW125 la SF12BW125
9. 868.8 - FSK
Downlink:
canalele uplink 1-9 (RX1)
869.525 - SF9BW125 (RX2 doar pentru
downlink)
2 Europa 433 MHz – nu exista inca un plan de utilizare /
alocare
3 Statele Unite 902 – 928 MHz
4 China 470 – 510 MHz
5 China 779 – 787 MHz – neutilizata pentru IoT
6 Australia 915 – 928 MHz
7 Asia (Japonia, Malaezia,
Singapore)
920 – 923 MHz
8 Asia (Brunei, Cambogia,
Hong Kong, Indonezia,
Laos, Taiwan, Tailanda,
Vietnam)
923 – 925 MHz
9 Korea 920 – 923 MHz
10 India 865 – 867 MHz
SF7 pana la SF12 reprezinta rata de transfer utilizata in retelele LoRaWAN. SF7
(Spreading Factor) este rata cea mai mare de transfer. Foarte importanta este si latimea de
banda. In LoRaWAN se utilizeaza 3 latimi de banda: 125 kHz, 250 kHz si 500 kHz. In
Europa, ratele de transfer utilizate sunt:
Rata de transfer (Data Rate) Configuratie biti / s
DR0 SF12BW125 (SF12/125kHz) 250
DR1 SF11BW125 (SF11/125kHz) 440
DR2 SF10BW125 (SF10/125kHz) 980
DR3 SF9BW125 (SF9/125kHz) 1760
DR4 SF8BW125 (SF8/125kHz) 3125
DR5 SF7BW125 (SF7/125kHz) 5470
DR6 SF7BW250 (SF7/250kHz) 11000
DR7 FSK 50000