O nouă etapă în dezvoltarea de rețele de senzori wireless

        1. Caracteristicile rețelelor de date.

Rețelele de transmitere a datelor prin canalele radio, trebuie să îndeplinească cerințele contradictorii în funcție de aplicație. Pentru rezolvarea anumitor sarcini trebuie să definiți: structura rețelei de date, metoda de acces la canalul de transmitere a datelor, intervalul de frecvențe, rata de transfer a datelor, durata de viață a bateriei, numărul de dispozitive suportate de rețea, volumul de date transmise, latența rețelei, metoda de configurarea a rețelei, existența a mai multor rețele simultan.

Noi oferim o stivă a protocoalelor de comunicare D-Mesh și echipamente pentru rețele de date cu viteză redusă. Intervalul de frecvențe 315MHz, 433MHz, 868MHz, 915MHz, 2,4 GHz nu necesită o licență pentru utilizare.

Rețeaua auto – organizată este construită pe componente de același tip. Raportul dintre modul activ/pasiv nu mai mult de 1/1000. Numărul nivelurilor de retransmisie până la 30. Dispozitivele sunt alimentate prin baterie. Bateria de 2 A*h este suficientă pentru a lucra timp de 6 ani. Periodicitatea de schimb între dispozitive se configurează și poate fi de la 3 s până la 25 s. Timpul de răspuns a rețelei este proporțional cu numărul de niveluri a rețelei. Suportă transmiterea automată a datelor o dată pe zi, solicitarea datelor curente, mesaje de alarmă. În plus, informațiile transmise ne permite de a construi structura rețelei de date.

        2. Structura rețelei de transmitere a datelor.

   Compania DJV-COM a dezvoltat o topologie de rețea D-Mesh. Această topologie de rețea este susținută de toate dispozitivele din rețea. Topologia D-Mesh este specifică topologiei Copac Cluster (Claster Tree) (Figura 1).

Fig.1.Variantele topologiei de rețea

Topologia D-Mesh cu eficiență maximă utilizează lățimii de bandă alocată, prin combinarea ratei de date suficiente pentru transmiterea datelor zilnice și fiabilitatea rețelei.

D-Mesh este o topologie de rețea dinamică, unde căile de transmisie a datelor pot mereu să se schimbe, dar nodul rețelei este instalat staționar. Atunci când adăugați sau eliminați un nod din rețea va fi reconfigurat automat rețeaua. Topologia de rețea D-Mesh constă dintr-un coordonator de rețea și două tipuri de noduri de rețea cu funcția de rutare conectată și deconectată (Figura 2):

Fig.2. Structura de rețea multi-nivel.

Funcțiile de coordonator al rețelei sunt  realizate de concentrator. Acest dispozitiv este la cel mai înalt nivel a topologiei rețelei. Acesta poate comunica cu toate dispozitivele din rețeaua sa.

Nodul de rețea cu funcție de rutare activată. Acest dispozitiv, acționează ca un intermediar între dispozitivele de rețea pentru a transfera date de la dispozitive distanțate de coordonatorul de rețea. Nodul de rețea poate fi la fel destinatarul final al datelor.

Nod de rețea cu funcția de rutare dezactivată. Acesta este ultimul dispozitiv în topologie de rețea D-Mesh și este sursa sau beneficiarul final al datelor, dar cu funcția de rutare dezactivată.

Fiecare dispozitiv a rețelei D-Mesh are propria adresă unică.

        3. Numărul de dispozitive suportate de rețea.

O caracteristică importantă a rețelei de transmitere a datelor este numărul de dispozitive acceptate de rețea. Având în vedere că rețeaua D-Mesh are o limită a numărului de noduri de rețea cu funcția de rutare activată (nu mai mult de 240), având un număr mare de dispozitive pentru rețele cu o structură regulată sau aproape regulată, se recomandă să se utilizeze topologia «Back Bone» (fig. 3).

Fig.3.Topologia Back Bone

În cazul în care în apartament se produce mai multe tipuri de înregistrări de resurse, pentru unul dintre dispozitivele de rețea a acestui apartament, cum ar fi un nod de rețea instalat pe contorul de gaz este utilizată funcția de rutare, în timp ce pentru dispozitive de rețea instalate în apartament pentru evidența altor tipuri de resurse energetice – apă, căldură, electricitate, noduri de rețea sunt utilizate cu funcția de rutare deconectată.

Dacă în casă, ca de obicei nu este o coloană, dar mai multe, cum ar fi în exemplu din Fig. 4,

Fig.4. Exemplu de realizare a topologiei Multi Back Bone (MBB)

Numărul de dispozitive suportate de către un concentrator – poate fi mărit de 4-6 ori (1200-1500 de puncte). Dacă este necesar, orice nod de rețea cu funcția de rutare dezactivată, această funcție poate fi activată de la distanță sau local.

        4. Economia de energie, sau durata de lucru a bateriei.

Noi nu considerăm rețeaua în care nodurile de rețea cu funcție de rutare necesită o sursă externă de alimentare permanentă. În acest caz, se pierd multe dintre beneficiile rețelei cu transmisie de date prin radio – acesta este costul și timpul de implementare a unor astfel de rețele. Pentru asigurarea vieții bateriei mai mare de 6 -10 ani, este necesar ca dispozitivul să fie în stare activă nu mai mult de 1/1000 din timpul total de funcționare. De exemplu, așa cum se arată în Fig.5, transmiterea datelor cu privire la nivelurile de subrețea secvențial, de exemplu, în același timp, în stare activă este un număr foarte mic de dispozitive.

Fig.5. Economia de energie: transmisia serială a datelor prin nivelurile de rețea

        5. Capacitatea de încărcare a datelor de canal și fiabilitatea rețelei.

Un parametru important a rețelei de date este capacitatea de transport – numărul maxim posibil de pachete de date transmise prin intermediul unui nod de rețea separat. Astfel pentru rețeaua D-Mesh, fiecare nod de rețea este capabil să transmită în zi cel puțin 1500 de pachete de date. Astfel, datele din întreaga rețea – până la 1500 de dispozitive pot fi transferate la concentrator printr-un singur nod de rețea, care este singura legătură între concentrator și restul rețelei.

Un alt parametru important este fiabilitatea funcționării rețelei. Fig.6 prezintă un exemplu de schimbare dinamică a topologie rețelei în funcție de descărcarea canalelor de comunicare. Roșu indică dispozitivul în care un canal de comunicare este supraîncărcat de transmitere a datelor, culoare verde – dispozitive la care canalul de comunicare este liber. Exemplul arată că, în timp dispozitivele găsesc canale libere de comunicare pentru a transmite datele lor. Astfel, structura de rețea nu depinde numai de condițiile audibile a dispozitivelor canalelor radio, precum și supraîncărcarea canalelor de comunicare.

Fig.6. Schimbarea dinamică a topologiei rețelei în funcție de încărcarea canalelor rețelei.

        6. Metoda de acces la canalul de transfer de date.

Pentru a maximiza utilizarea lățimii benzilor a frecvențelor, în topologie de rețea D-Mesh se folosește separarea temporal de transfer a datelor și sincronizare în timp (Fig.7).

Funcționarea tuturor dispozitivelor de rețea D-Mesh este sincronizat cu ajutorul unui semnal (beacon). Acest semnal este emis de nodurile rețelei periodic cu funcția de rutare activată, care poate fi master pentru un grup de dispozitive.

Semnalul beacon conține informații despre numărul de nivel al rețelei, numărul de identificare a rețelei, MAC – adresa master-ului său formativ, precum și unele date suplimentare.

Îndată după semnalul beacon urmează fereastra de lucru (Local Frame), a căror durată este compusă din două părți principale. Prima parte este rezervată pentru transmiterea pachetelor de date a mesajelor primite, al doilea – de ieșire. Durata ferestrei de lucru este variabilă.

Fig.7. Structura intervalului de timp, folosită în rețea

În pauzele dintre semnalele beacon, care urmărește după ei ferestre de lucru, dispozitivele de rețea se află în regimul de hibernare. Dacă un dispozitiv nu reușește să transmită/primească în timpul unei ferestre de lucru, atunci acest întreg proces este împărțit în mai multe ferestre de lucru.

Fig.8. Diagrama procesului de schimb de date între nodurile de rețea

Nodurile de rețea pot comunica unul cu celălalt sau cu coordonatorul rețelei la anumite necesități sau intervale de timp ( Figura 8 ).

În topologia D-Mesh este implementat două moduri de funcționare a rețelei. Atunci când un coordonator de rețea are alimentare externă este întotdeauna activ și este capabil să facă schimb de date la cea mai mare viteză posibilă. După semnalele coordonatorului părțile separate ale rețelei periodic se trezesc și fac schimb de mesaje.

În absența alimentației externe coordonatorul rețelei funcționează în regim automat și se alimentează de la baterie de rezervă. În acest regim de funcționare întreaga topologie de rețea D-Mesh este în regim de repaus, inclusiv și coordonatorul. Schimbul de date are loc în segmentele individuale de rețea, care se trezesc periodic ( Figura 5 ). Astfel, se poate salva nu numai energie dar și a evita influența segmenților individuali de rețea între ei.

        7. Exemplu topologiei de funcționare a rețelei.

Ca exemplu de utilizare a rețelei D-Mesh dăm un exemplu de un sistem de colectare a datelor de gaz într-o clădire cu apartamente ( Figura 9 ), la un moment dat de timp.

Datele pe oră și pe zi sunt generate sub forma unui pachet de date și sunt transmise la centrul de control o data pe zi. De asemenea timpul de lucru a modulelor radio fără schimbarea bateriei ajunge până la 6 ani.

O trăsătură distinctivă a modulelor radio a companiei DJV-COM este o posibilitate de organizare a unei arhitecturi de rețea complexă, precum și capacitatea de a acoperi distanțe care sunt evaluate de mai mulți kilometri prin menținerea de până la 30 de niveluri de retransmisie.

Fig.9. Exemplu de mesaj de rutare aparate de măsură instalate într-o clădire de apartamente

        8. Lucrul concomitent suprapus la accesarea rețelei radio.

În cazul instalării în masă a rețelelor de date radio se ridică întrebarea performanței rețelei, cu suprapunere parțială a vizualizării și cu suprapunere completă (vezi. Fig. 10).

Fig.10. Problema coexistenței mai multor rețele.

Rețelele pentru care nu este prevăzută nici o posibilitate de a lucra în condiții de suprapunere parțială sau totală a accesării în prima situație va funcționa în mod normal, în a doua situație sunt posibile coliziuni frecvente, precum și prăbușirea rețelei, în a treia situație cu accesarea suprapusă complet – astfel de rețele nu vor funcționa.

Tehnologia D-Mesh – vă permite să configurați indiciu logic a subrețelei de la zero până la cincisprezece, ceea ce permite funcționarea normală pentru situația 2 – la 16 subrețele, iar în cazul situației 3 – până la  4 subrețele cu o suprapunere completă. Numărul de coliziuni în același timp – este minim.

        9. Domeniul de aplicare:

Echipamentul este utilizat pentru rețele de colectare și gestionare a datelor. În special, pentru citirea datelor de gaz, apă, electricitate, contoare de energie termică, controlul luminii, alimentare cu apă, gaz, energie termică, controlul ventilației și climatizării, transmiterea evenimentelor si construcția rețelelor de senzori care nu necesită transmiterea permanentă a datelor, dar transmiterea lor la ieșirea parametrului pentru acest interval.

        10. Parametrii rețelei D-Mesh transmiterii datelor.