Zaloguj
Rozproszone sieci sensorów to element składowy wielu kluczowych instalacji. Potrzeba zbierania danych z tego rodzaju elementów pojawia się np. w zakresie monitorowania warunków środowiska, bezprzewodowego zbierania danych z liczników zużycia gazu, wody, energii elektrycznej itp. Przyjrzyjmy się rozwiązaniu tego problemu na przykładzie bezprzewodowego systemu do monitorowania jakości wody.
Problem
Niektóre branże, takie jak produkcja napojów, zakłady farmaceutyczne, oczyszczalnie ścieków itd., polegają na rozproszonych systemach monitorowania parametrów fizykochemicznych wody do pomiaru i kontroli jej jakości. Jako wskaźniki jakości wody można wykorzystać parametry określające właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne wody. Przykłady tych parametrów obejmują:
- parametry fizyczne, takie jak: temperatura i zmętnienie;
- parametry chemiczne, takie jak: pH, potencjał utleniająco-redukcyjny (ORP), przewodność i ilość rozpuszczonego w wodzie tlenu;
- parametry biologiczne, takie jak: zawartość glonów i bakterii.
Typowym rodzajem pomiaru, jaki realizowany jest w omawianej wcześniej aplikacji, są pomiary elektrochemiczne. Elektrochemia jest gałęzią chemii, która charakteryzuje parametry reakcji redukcji-utleniania (redoks) poprzez pomiar transferu elektronów z jednego substratu do drugiego. Techniki elektrochemiczne można stosować bezpośrednio lub pośrednio do pomiaru przykładowych wskaźników jakości wody wymienionych wcześniej. System pomiarów elektrochemicznych składa się z dwóch głównych bloków:
- czujnik: urządzenie służące do pomiaru wskaźnika jakości wody i generowania odpowiedniego sygnału elektrycznego;
- jednostka pomiarowo-przetwarzająca: obwody, które mierzą i przetwarzają sygnał elektryczny, konwertując go na użyteczny dla dalszej części systemu.
Przykład takiego systemu pokazano na rysunku 1.
Zazwyczaj poszczególne czujniki, jakie są rozmieszczane w zakładach przetwórczych to systemy przewodowe. Czujniki polowe muszą być często czyszczone i kalibrowane oraz często wymieniane. Dodatkowo, komunikacja z nimi jest krytycznym elementem działania systemów tego rodzaju zakładu. Sieci bezprzewodowe mogą uprościć wiele z tych aspektów, jednak ogólnie uważa się je za niedostatecznie niezawodne, aby można je było wdrożyć w trudnych warunkach tych aplikacji. Nie jest to prawda – dzięki nowym technologiom pomiarowym i sieciowym, obecnie możliwe jest tworzone wysoce niezawodnych bezprzewodowych sieci czujnikowych. Rozwiązaniem, które istotnie pomaga w zwiększaniu niezawodności i łatwości implementacji takiego systemu, są tak zwane sieci kratowe.
Przyjrzyjmy się konstrukcji i zasadzie działania sieci kratowych (mesh) na przykładzie technologii SmartMesh firmy Analog Devices, która stosowana jest wraz z uniwersalnym, scalonym interfejsem dla czujników ADuCM355. Zastosowany transceiver bezprzewodowy LPT5902 jest propozycją Analog Devices na rozwiązanie systemów sieci kratowych. Układy te pozwalają na tworzenie niezawodnych bezprzewodowych systemów monitorowania np. jakości wody. Zasady te można łatwo rozszerzyć na inne parametry elektrochemiczne wody, czy też na inne rodzaje pomiarów wartości chemicznych czy fizycznych.
Przykładowe rozwiązanie
Wartość pH jest miarą względnej ilości jonów wodorowych i wodorotlenkowych w roztworze wodnym. Neutralny roztwór to taki, w którym stężenie jonów wodorowych jest dokładnie równe stężeniu jonów wodorotlenkowych. Współczynnik pH to inny sposób wyrażania stężenia jonów wodorowych, pomiaru kwasowości lub zasadowości roztworu.
Sonda pH jest czujnikiem elektrochemicznym składającym się z elektrody szklanej i elektrody odniesienia, jak pokazano na rysunku 2. Dokładna budowa tego elementu nie jest istotna z punktu widzenia tego artykułu. Po włożeniu sondy pH do roztworu elektroda pomiarowa generuje napięcie zależne od aktywności jonów wodorowych w roztworze. Napięcie to jest następnie porównywane z potencjałem wewnętrznej elektrody odniesienia. Różnica między elektrodą pomiarową a referencyjną jest mierzonym potencjałem i jest opisywana stosowanym równaniem, które pozwala na wyznaczenie współczynnika pH badanego roztworu (przy założeniu, że znamy dokładnie pH roztworu referencyjnego).
Równanie wskazuje generowane napięcie, które zmienia się wraz z pH w znany sposób. Pokazuje również, że generowane napięcie jest wprost proporcjonalne, także do temperatury roztworu. Wraz ze wzrostem temperatury roztworu wzrasta różnica potencjałów między dwiema elektrodami i odwrotnie. Idealna sonda pH wytwarza ±59,154 mV/pH w temperaturze 25°C.
Zmiana temperatury może również zmienić czułość elektrody pomiarowej, co z kolei powoduje błąd pomiaru. Ten błąd jest przewidywalny i można go usunąć, kalibrując sondę w różnych temperaturach, a następnie korygując temperaturę podczas kolejnych pomiarów. Zazwyczaj czujnik temperatury jest zintegrowany z sondą pH. Czujnik temperatury może być termistorem o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC) lub innym czujnikiem rezystancyjnym, takim jak PT100 lub PT1000. Sonda pH z czujnikiem temperatury pokazana jest na rysunku 3.
ADuCM355 to zaawansowana i wysoce zintegrowana platforma do pomiaru pH, zapewniająca system do pomiaru ze wszystkimi niezbędnymi funkcjami zintegrowanymi z mikroprocesorem o małym zużyciu energii. ADuCM355 ma nikłe zapotrzebowanie na energię elektryczną i gwarantuje niewielkie wymiary kompletnego rozwiązania, dzięki czemu może być zaimplementowany w obudowie czujnika, zapewniając jednocześnie możliwości przyrządów stacjonarnych.
Na fotografii 1 pokazano płytkę pomiarową do mierzenia pH z ADuCM355 ze złączami BNC i RCA do podłączenia sondy pH i czujnika temperatury. Płytka ta zaprojektowana została zgodnie z projektem referencyjnym CN-0428, a więcej szczegółów na temat płytki można zobaczyć na rysunku 4.
Technologia SmartMesh
Łącząc ADuCM355 z transceiverem SmartMesh, utworzono kompaktowy węzeł sensorowy do pomiaru pH. ADuCM355 dostarcza zmierzone dane pH w postaci cyfrowej. Te dane są następnie transferowane przez UART do bezprzewodowego transceivera LTP5902. LTP5902 przesyła dane cyfrowe przez sieć SmartMesh do menedżera SmartMesh IP. Na rysunku 5 pokazano schemat blokowy omawianego urządzenia.
SmartMesh to opatentowane przez firmę Analog Devices rozwiązanie sieci bezprzewodowej multihop pracujące w pasmie 2,4 GHz bazujace na standardzie IEEE 802.15.4e. Obejmuje szyfrowanie i uwierzytelnianie z wykorzystaniem AES 128, zapewniając solidne, kompleksowe zabezpieczenia. Jest to bardzo energooszczędny system, dzięki czemu każdy węzeł czujnika może działać przy zasilaniu bateryjnym.
Wbudowane bezprzewodowe sieci kratowe SmartMesh zapewniają niezawodność przesyłu danych na poziomie >99,999% w trudnych środowiskach przemysłowych i bardzo niski pobór mocy, jak zapewnia producent. Co ciekawe – producent stosuje ten rodzaj sieci w swoich fabrykach urządzeń półprzewodnikowych w Dolinie Krzemowej do monitorowania poziomu gazów procesowych w butlach, aby aktywnie planować uzupełnianie i zapewnić nieprzerwane ich dostawy. Instalacja nie zakłóca pracy fabryki, mieści się w ograniczonej przestrzeni, dostarczając dane w czasie rzeczywistym. Pozwoliło to na skrócenie przestojów i pomogło w planowaniu dostaw gazów oraz zarządzaniu pracą linii.
Sieci SmartMesh komunikują się za pomocą warstwy łącza TSCH (Time Slotted Channel Hopping), która zapewnia nadmiarowość łącza. Menedżer sieci SmartMesh (część bramy) koordynuje harmonogram przełączania pomiędzy kanałami, zarządza bezpieczeństwem, wykonuje programowanie bezprzewodowe i aktualizuje, a także automatycznie optymalizuje łączność pomiędzy modułami. Menedżer sieci zapewnia również szczegółowe raporty o stanie sieci. W przypadku małych sieci jeden wbudowany menedżer może obsługiwać do 100 węzłów czujników. Bardziej zaawansowany VManager obsługuje ogromne instalacje do 50 000 węzłów. Na rysunku 6 pokazano przykładowy model takiej sieci. Warto zwrócić uwagę na istotny aspekt sieci kratowej – urządzenia łączą się nie tylko z centralną bramą, ale także między sobą.
Bezprzewodowy system monitorowania jakości wody, pokazany na rysunku 7, składa się z:
- Czterech czujników bezprzewodowych. Każdy składający się z gotowej sondy pH z elektrodą ze zintegrowanym czujnikiem temperatury podłączonym do ADuCM355 i transceivera SmartMesh;
- Menedżera SmartMesh IP podłączonego przez USB do komputera;
- Funkcję bramki w tym systemie pełni komputer PC. Na tym komputerze zainstalowano pakiet Node-Red i SmartMesh SDK, który służy do tworzenia serwera notacji obiektów JavaScript (JSON) dla danych i umożliwia połączenie się z usługami w chmurze, takimi jak IBM Watson, Amazon AWS itp.
Sieci kratowe
Sieć kratowa to sieć, w której urządzenia – tzw. węzły sieci, są ze sobą połączone, rozgałęziając się na inne urządzenia. Tego rodzaju sieci są skonfigurowane tak, aby skutecznie przesyłać dane pomiędzy urządzeniami do docelowego punktu. Pomaga to polepszyć zasięgi i dostępność poszczególnych węzłów.
Topologie sieci kratowej tworzą wiele tras dla informacji do przemieszczania się między połączonymi węzłami. Takie podejście zwiększa odporność sieci w przypadku awarii węzła lub połączenia. Większe sieci tego rodzaju mogą zawierać również wiele routerów, przełączników i innych urządzeń, które działają, jako dodatkowe węzły.
W zasadniczej, podstawowej wersji, węzłami są urządzenia oraz pojedyncza brama. Sieć kratowa może zawierać setki urządzeń bezprzewodowych, co pozwala jej obejmować bardzo duży obszar. Aby zwizualizować sieć typu kratowego najprościej jest ją porównać z siecią o topologii gwiazdy, jak pokazano na rysunku 8. W obu systemach występuje taka sama ilość węzłów oraz jedna bramka. Jednak różnią się one wzajemnymi połączeniami. W sieci o topologii gwiazdy, wszystkie węzły komunikują się bezpośrednio z centralną bramką. W przypadku sieci o topologii mesh urządzenia komunikują się między sobą i z bramką. Dzięki temu te urządzenia, które nie są w bezpośrednim kontakcie z bramką i tak mogą przesłać do niej dane, korzystając z węzłów pośrednich.
Istnieją różne implementacje sieci kratownicowej. Każdy węzeł w pełnej sieci mesh jest bezpośrednio połączony z każdym innym węzłem. Tak nie jest w przypadku częściowej sieci mesh – w takim przypadku nie wszystkie węzły są ze sobą połączone. Jest to częstsza implementacja, w przypadku systemów IoT.
Połączenia w pełnej lub częściowej sieci mogą być sieciami przewodowymi lub bezprzewodowymi. Decyzja o zastosowaniu pełnej lub częściowej sieci kratownicowej w danej aplikacji zależy od takich czynników, jak ogólny wzorzec ruchu w sieci oraz stopień, w jakim węzły lub wzajemne połączenia w sieci są zagrożone awarią. Prawie wszystkie sieci wydają się być sieciami typu full mesh, ponieważ każdy punkt w sieci może łączyć się ze wszystkimi innymi. Ta pełna łączność jest właściwością protokołów sieciowych, a nie topologii; każda sieć może wyglądać na w pełni zazębioną na poziomie logicznym, jeśli dane mogą być przesyłane między każdym z jej użytkowników.
W sieciach mesh najważniejsza jest różnica między topologiami logicznymi i fizycznymi.
Przyjrzyjmy się, jako przykładowi sieci Wi-Fi. Ma ona pewnego rodzaju koncentrator, na przykład punkt dostępowy, który służy, jako węzeł centralny, zapewniając pośrednią łączność fizyczną między wszystkimi węzłami. Sieć fizyczna ma topologię w kształcie gwiazdy, ale łączność logiczna to pełna sieć mesh. W przypadku sieci kratowych, o jakich mówimy w tym artykule, w przypadku systemów Internetu Rzeczy, mamy na myśli sieci o fizycznej topologii kratowej.
Węzły w tego rodzaju sieci są mają oprogramowanie, które mówi węzłowi, jak obsługiwać informacje i współdziałać z siecią. Istnieją różne metody przekazywania dalej informacji, jak i towarzyszące im algorytmy. W przypadku stosowania tzw. „routingu” wiadomość przeskakuje od węzła do węzła, aby dotrzeć do miejsca docelowego. Sieć musi mieć ciągłe połączenia i rekonfigurować się, jeśli ścieżka zostanie przerwana, przy użyciu algorytmów tzw. samonaprawiania. Często w jednym momencie występować będzie więcej niż jedna ścieżka między źródłem danych a miejscem docelowym. Techniki „zalewania” polegają na dystrybucji danych z jednego węzła do wszystkich dostępnych z danego punktu w sieci. Dane są wysyłane przez podzbiór węzłów, ponieważ wszystkie węzły mogą nie być dostępne jednocześnie. Każdy węzeł ma pewien podzbiór danych. Protokół wybiera nadawców dla każdej transmisji danych, aby zmaksymalizować przepustowość.
Zalety
- Możliwość zarządzania dużym natężeniem ruchu: topologia mesh nie ma relacji hierarchicznej. Dowolne urządzenie próbujące połączyć się z innym bezpośrednio stosuje routing w sieci i nie jest ograniczone maksymalnym transferem centralnego punktu;
- Awaria jednego urządzenia nie wpływa na sieć: topologia ta jest wyjątkowa, jeśli chodzi o odporność na problemy. Każdy węzeł sieci odbiera i przekazuje informacje – struktura systemu zapewnia wysoki poziom redundancji;
- Spójna transmisja danych: awaria sieci nie zakłóca procesu transferu danych, ponieważ dostępnych jest wiele ścieżek transmisji danych;
- Dodawanie nowych urządzeń nie wpływa na transmisję danych: struktura sieci mesh umożliwia użytkownikom dodawanie nowych elementów bez zakłócania komunikacji;
- Prosta skalowalność: topologia sieci kratowej nie wymaga dodatkowych routerów, ponieważ każdy węzeł działa jak indywidualny router, który umożliwia wygodną zmianę rozmiaru sieci;
- Łatwe do dodania nawet w gotowym systemie: zwykle dodanie sieci o topologii mesh jest łatwe i przebiega bez żadnych problemów. Trzeba połączyć węzły z bramami, aby komunikaty mogły przejść do pozostałej sieci, aby działała. Pozwala na samooptymalizację technologii;
- Usunięcie sieci jest prawie niemożliwe: struktura topologii mesh oznacza, że usunięcie sieci w całości jest prawie niemożliwe, chyba, że nastąpi globalna katastrofa, w której wszystkie urządzenia, z których korzystamy, zostaną zniszczone;
- Brak potrzeby istnienia punktu centralnego: topologia sieci mesh nie musi obejmować scentralizowanego sterowania przesyłaniem danych. W związku z tym stworzono bezpieczne metody komunikacji, które w umożliwiają m.in. zachowanie anonimowość węzłów;
- Elastyczność: topologia mesh ma ogromną elastyczność ze względu na odporność na zmiany czy awarie. Nie trzeba mieć pełnego zestawu połączeń do każdego węzła, aby sieć mogła poprawnie działać;
- Łatwość zarządzania dużą ilością danych: Sieć kratowa może obsłużyć ogromną ilość danych w porównaniu z tradycyjnymi systemami, ponieważ możliwe jest jednoczesne podłączenie wielu urządzeń i jednoczesne przesyłanie danych;
Wady
- Wysoki koszt: koszt wdrożenia sieci o topologii mesh jest wyższy niż w przypadku innych, ze względu na spore wymaganie, co do sprzętu. Sieć taka nie może działać poprawnie, dopóki w systemie nie znajdzie się cały wymagany sprzęt, okablowania itp.;
- Czasochłonna budowa i utrzymanie: po uruchomieniu dodawanie nowych węzłów jest proste, ale początkowy proces tworzenia sieci jest złożony i czasochłonny;
- Wysokie ryzyko nadmiarowego połączenia: ponieważ topologia mesh może obsługiwać dużą liczbę sieci, istnieje duża szansa na stworzenie nadmiarowych połączeń;
- Duże obciążenie każdego węzła: węzły mają wiele obowiązków i każdy z nich musi działać, jako router. Dlatego system jest bardzo złożony;
- Wysokie opóźnienia: topologia mesh w systemie o niskim poborze mocy nie ma zdolności przetwarzania wymaganej do obsługi transferów danych w odpowiednim czasie. Dlatego istnieje wiele problemów związanych z wysoką latencją.
Podsumowanie
Sieci kratowe mają swoje wady i zalety. Szczególnie teraz, w dobie przeobrażania się sektora IoT, poszczególne aspekty tego rozwiązania są widoczne. Coraz większa penetracja świata przez ogólnodostępne systemy komunikacji bezprzewodowej, dedykowanej dla urządzeń Internetu Rzeczy, sprawia, że sieci kratowe tracą na popularności. Technologie takie jak LoRa czy SigFox pozwalają budować podobne systemy, co kiedyś przy zastosowaniu sieci kratowych, jednak ich implementacja w szeregu wypadków może być droższa, gorzej także się skaluje.
Podsumowując – sieci kratowe, takie jak SmartMesh, proponowany przez Analog Devices, nadal mają swoje miejsce na rynku. Z jednej strony, mają one szereg zalet i przewag nad innymi sieciami bezprzewodowymi w aplikacjach, zakładających masowe wdrażanie tego rodzaju modułów na niewielkiej przestrzeni. Doskonale skalują się kosztowo, w momencie wdrażania tysięcy czy więcej modułów. Dodatkowo, sieci kratowe nie są uzależnione od zasięgu sieci, co sprawia, że idealnie nadają się do instalacji w odległych miejscach lub trudnych warunkach. Z drugiej strony, zwiększające się pokrycie zasięgiem komercyjnych sieci LPWAN sprawia, że w terenie zurbanizowanym sieci kratowe są coraz mniej korzystnym wyborem dla małych i średnich sieci. Zatem – jak to często bywa w tego rodzaju pytaniach – nie można tutaj udzielić jednoznacznej odpowiedzi. Jakie rozwiązanie sprawi się w danej aplikacji najlepiej? Wszystko zależy od detali danego systemu – środowiska pracy, ilości urządzeń i innych czynników.
Nikodem Czechowski, EP
Bibliografia:
- Piyu Dhaker, „Wireless Water Quality Monitoring System”, Analog Dialogue 54, luty 2020.
- Nota układowa CN-0428 firmy Analog Devices, „Water Quality Measurement System”, listopad 2018.
