Многоранговые сети IoT с резервированием на основе nRF24L01+



В статье рассматривается вопрос организации многоранговой сети топологии «звезда» в автоматизации производства или при построении смарт-систем с помощью модуля nRF24L01+. Определяются основные недостатки подхода. Формируется общая концепция устранения основных недостатков за счет поиска оптимального метода резервирования как отдельных узлов сети, так и сегментов в целом

Ключевые слова: IoT, Интернет вещей, nRF24L01+, двойная звезда, сеть с резервированием.

Одним из ключевых вопросов в разработке смарт-систем или автоматизации производства является поиск методов организации взаимодействия различных по структуре и назначению элементов (в основном, датчиков). В силу специфики вопроса сложно говорить о наличии единого универсального решения. Но, при этом, стоит отметить распространенность различных беспроводных решений и комплекса технологий, объединенных под названием IoT (Интернет вещей).

Целью данной статьи является поиск решений для организации стабильной работы подсистемы Интернета вещей, построенной на базе радиомодуля nRF24L01+, его разновидностей и аналогов. Применение полученных результатов позволит упростить процесс организации взаимодействия различных модулей и датчиков в автоматизированных процессах на предприятиях и в смарт-системах (например, Умный дом или Умный гараж)

Датчики — это основная движущая сила экосистемы технологий Интернета вещей в производстве. На сегодняшний день интернет-соединения, в основном, являются надежными и доступными, но применять их для организации работы каждого отдельного устройства комплекса автоматизации дорого и непрактично. У компаний, заинтересованных в реализации технологий IoT на своих предприятиях есть возможность выбрать из целого ряда продуктов, производимых на базе сетевых стандартов и решить, какие из них подходят для конкретных производственных компаний. Этот выбор зависит от нескольких факторов, таких как существующая инфраструктура, опыт ИТ-команды по работе с указанными выше стандартами и совместимость устройств. [1]

Управление набором различных аппаратных модулей и датчиков в каждой углу Умного дома или на каждом участке конвейера на производстве посредством отдельного компьютера экономически нецелесообразно. Обычно в таких случаях используются дешевые решения на базе микроконтроллеров (Atmega, SMT32 и т. д.), реже — микрокомпьютеры (Raspberry Pi, Omega2 и т. д.). Управляющие устройства (УУ) соединяются с одним или несколькими датчиками (функциональными модулями), а сами УУ объединяются посредством беспроводной сети между собой и с главным центром (персональным компьютером, сервером и т. д.).

Одним из оптимальных по цене решений для организации сети между подобными УУ является модуль nRF24L01+ и его разновидности (например, модуль nRF24L01+PA+LNA позволяет передавать данные на расстояние до 1 км против 100 м у его более простой версии).

Cеть, построенная на базе nRF24L01+ относится к категории WPAN[1], с диапазоном частот 2,4–2,5 ГГц. Для решения задачи организации ближней радиосвязи между маломощными передатчиками наиболее подходит стандарт IEEE 802.15.4, который разработан для приложений с низкими требованиями к пропускной способности с низкой стоимостью и низким энергопотреблением. Основные требования этого стандарта:

− базовая частота 2400–2483,5 МГц;

− радиус действия от 10–160 м (при прямой видимости);

− скорость передачи данных до 250 Кбит/с;

− максимальное количество устройств в сети: 65000. [2]

Для передачи в данном модуле используется 126 частотных каналов, каждый занимает полосу менее 1 МГц при скорости передачи 250 Кбит/с и 1 МГц на скорости передачи 1 Мбит/с. Для исключения взаимовлияния каналов расстояние между центральными частотами должно составлять не менее 2 МГц. Также существует возможность настройки коэффициента усиления выходного усилителя мощности. [3]

Приемопередатчик имеет собственный аппаратно-реализованный протокол обмена Enhanced ShockBurst, который гарантирует надежный обмен данными. Основной особенностью протокола является возможность простой и эффективной передачи данных с обратной связью. Таким образом, в устройстве аппаратно реализована отправка подтверждения приема пакета. В противном случае передача пакета повторяется. Использование этой функции позволяет снизить нагрузку на УУ, сняв с него задачу анализа потерянных пакетов. Также данный протокол удобен для передачи данных в режиме «точка-точка» или создания беспроводной сети топологии «звезда». [4]

Основным недостатком подобного модуля является невозможность объединения в одну сеть более 6 устройств (сервер и 5 клиентов, топология «звезда»). При этом программно можно реализовать более сложные топологии с большим количеством устройств. В качестве примера такого подхода можно привести библиотеку RF24Network для платформы Arduino. Эта библиотека позволяет построить сеть на 625 конечных устройств при условии, что ретрансляторы не имеют другой нагрузки, или на 781 устройство, если ретрансляторы несут полезную дополнительную нагрузку. Общий принцип организации подобной сети приведен на рисунке 1.

Рис. 1. Общий принцип организации сети на базе RF24Network

С одной стороны, уже на этом этапе можно было бы остановиться, ведь 781 УУ — достаточное количество как для автоматизации сложного производства, так и для создания Умного дома. Но у подобного подхода (многоранговая сеть на основе топологии «звезда» — рисунок 2) есть один большой минус — выход из строя промежуточного ретранслятора (а еще хуже центрального узла) влечет за собой деградацию или крах системы. Решением данной проблемы является резервирование.

В качестве примера рассмотрим простой вариант резервирования центрального узла для многоранговой сети A с рисунка 2, который, в свою очередь, кроме работы с дочерними устройствами взаимодействует с неким внешним главным устройством (сервер на рисунке). Для этого введем дополнительный узел, выполняющий роль резервного центрального узла (рисунок 3).

Рис. 2. Пример многоранговой сети на основе топологии «звезда»

Рис. 3. Многоранговая сеть с резервированием центрального узла

Одним из вариантов включение этого узла в работу возьмем ситуацию, когда главный узел с определенной периодичностью должен ping запрос к резервному. В случае, если запрос не пришел, резервный узел берет на себя руководящую роль и организует сеть B (в идеальном варианте он сигнализирует устройству рангом выше о необходимости технического обслуживания основного узла). В итоге мы получаем достаточно стабильную работу центрального узла сети, и, фактически, меняем топологию центрального уровня нашей многоранговой сети с обычно «звезды» на «двойную звезду».

Следующий этап — решение проблемы резервирования на более низких уровнях многоранговой сети. Существует множество вариантов организации работы подобной сети. Например, в сети существуют резервные устройства, выполняющие роль промежуточных коммутаторов. В случае сбоя одного или нескольких дочерних элементов центральный узел может перейти на другую сеть, обращаясь к новым промежуточным звеньям или даже к конечным элементам. Пример такого подхода показан на рисунке 4. Потеря связи в сети A провоцирует активацию сети B. Подобный подход в связке с предыдущим позволяет создать достаточно стабильную сеть с чередой резервирующих промежуточных устройств. Это одновременно является и минусом такого подхода, т. к. каждый дополнительный узел — это затраты на его создание и организацию его работы.

Рис. 4. Многоранговая сеть с применением топологии «двойная звезда» и дополнительных резервных коммутаторов

Если данный вариант работы сети не подходит для конечной цели, альтернативой ему будет использование в качестве промежуточных ретрансляторов конечные узлы. Этот подход можно совместить с анализом работоспособности отдельных ретрансляторов и выполнять частичное переключение на другую сеть вместо полного. На рисунке 5 показан пример, в котором используются дополнительные сети B, C и D, каждая из которых активируется в случае сбоя связанного с ней промежуточного узла. Недостатком является программная реализации поочередной работы нескольких сетей на базе одного центрального устройства.

В подобных ячеистых сетях могут присутствовать как «спящие» узлы, так и статические, которые могут выполнять функции локальных центральных узлов. Данные узлы должны бесперебойно функционировать, так как данный тип узла поддерживает функционирование определенного сектора сети. В таком случае, при некотором количестве статических узлов, появляется возможность прокладки оптимального маршрута. [2]

Рис. 5. Многоранговая сеть с применением топологии «двойная звезда» без дополнительных резервных коммутаторов

На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что построение многоранговой сети как без резервирования, так и с ним, в рамках автоматизации производства или при разработке смарт-системы с использованием модуля nRF24L01+ возможно. Полученная сеть, конечно, уступает локальной вычислительной сети, но позволяет как избавиться от лишних проводных каналов передачи данных, так и сэкономить на организации беспроводной сети. При этом соблюдая требования технологии Интернета вещей.

В целом, хотя приведенные выше примеры являются достаточно абстрактными, реализация их в конечной сети при автоматизации производства или в умных системах требует детального изучения помещений, используемых датчиков и модулей, самих устройств передачи сигнала (дальность и стабильность передачи сигнала в имеющихся условиях), чтобы определить оптимальную модель организации многоранговой сети с резервированием.

Литература:

1. Куприяновский В. П. Интернет Вещей на промышленных предприятиях / В. П. Куприяновский, Д. Е. Намиот, В. И. Дрожжинов [и др.] // International journal of open information technologies. — 2016. — 4 (12). — С. 69–78.

2. Деменкова Т. А. Особенности построения систем мониторинга метеоусловий на основе технологии Интернета вещей / Т. А. Деменкова, А. И. Александров // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. — 2018. — 18 (4). — С. 975–978.

3. Лихолетова М. В. Технический обзор микросхемы радиопередатчика nRF24L01+ / М. В. Лихолетова, В. А. Устюгов // Juvenis scientia. — 2016. — № 6. — С. 4–5.

4. Аверченко А. П. Особенности работы с приемопередатчиком NRF24L01+ / А. П. Аверченко, А. А. Лыжин, Н. В. Седнев [и др.] // Технические науки в России и за рубежом: материалы VII Международной научной конференции. — М.: Буки-Веди, 2017. — С. 39–42.

---

[1] Wireless personal area network – (агл. Беспроводные персональные сети) сеть для связи различных устройств, построенная в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4. Используется как для объединения различных устройств, так и для связи их с сетями более высокого уровня.