RIIM (Radiocrafts Industrial IP Mesh) je vestavný (embedded) rádiový systém navržený tak, aby bylo možno snadno, co nejmenším počtem typů modulů vytvořit a měnit volnou (mesh) strukturu sítě, s přímou IP adresací. Použitý RF protokol je standardu IEEE802.15.4 g/e.
Prvky systému RIIM jsou moduly s vlastností inteligentních, jazykem C programovatelných vstupů/výstupů, Intelligent C-programmable I/O (ICI), což umožňuje přímo k modulu navázat téměř jakýkoli senzor (čidlo) nebo aktuátor (akční člen), a dokonce jsou podporovány decentralizované výpočty, známé jako Mist Computing.
Systém RIIM navíc nevyžaduje žádné licence ani předplatné za intelektuální vlastnictví.
Firma Radiocrafts přispěla ke zjednodušení konfigurace sítě a konektivity pro ty, kdo to provádějí v terénu s různými aktivními bezdrátovými systémy za provozu. Proto byl pro současné i budoucí konfigurace sítě RIIM použit nový standard IEEE802.15.4 g/e.
Systém RIIM se skládá z následujících součástí:
- RIIM uzlový modul s funkcí síťového routeru nebo listu RC1882-IPM
- RIIM hraniční router s modulem RC1882(HP)-IPM-BR
- RIIM vývojové prostředí a nástroje
RIIM modul je kompletní obvod s velmi nízkou spotřebou, pracující podle normy IEEE802.15.4 g/e, s rozhraním antény s impedancí 50 ohmů. Je schopen připojit několik populárních sériových sběrnic/rozhraní a navázat se na téměř jakýkoli senzor, kontroler a aktuátor pomocí programovatelného rozhraní ICI.
Modul RIIM může být nastaven na frekvenční pásma 868 MHz nebo 915 MHz (dle národní kmitočtové tabulky) a může mít nastaven vysílací výkon podle národních limitů. To ho činí „globálním“.
Modul dále obsahuje internetové rozhraní CoAP client / server, což umožňuje přímou IP komunikaci s každým uzlem a zjednodušuje tvorbu aplikačního rozhraní.
Současné moduly přicházejí ve třech různých hardwarových variantách:
- RC1882CEF-IPM s výstupním rádiovým výkonem 14 dBm max.
- RC1882HPCF-IPM 26 dBm max., pro 868 MHz (v přípravě)
- RC1892HPCF-IPM 26 dBm max., pro 915 MHz (v přípravě)
Modul může být nakonfigurován ve třech různých módech, podle zamýšlené role v síti:
- Border Router – hraniční router (rozhraní do cloudu)
- Mesh Route – vnitřní router sítě mesh (uzel větvení)
- Leaf node – list sítě (okrajový uzel, list)
Konkrétní konfigurace je zvolena při sestavování firmwaru a jeho programování do modulu boot-loaderem.
Vše je obsaženo v modulu
Vnitřní routery a listy sítě jsou tvořeny jediným typem modulu – IPM (IP Mesh Module). Hraniční router (potřebný jen 1x v síti) potřebuje navíc rozhraní do cloudu, avšak je možno ho koupit jako hotový výrobek s rozhraními ethernetu a USB.
Obr.: Hraniční router Obr.: Blokové schéma IPM modulu
Kompletní protokol sítě IP mesh, se všemi možnostmi je obsažen v modulu a jeho firmwaru. Nejsou potřeba žádné licence ani jiné poplatky. Rovněž není nutné žádné uživatelsky specifické nastavení, modul je připraven k použití tak, jak ho vybalíte. Pouze je nutno vložit PAN ID (identifikátor sítě), nastavit sensor / control interface podle připojeného čidla a připojit napájení a anténu.
CoAP rozhraní do cloudu
Rozhraní CoAP je podpořeno přímo RIIM IPM modulem. To umožňuje velmi jednoduchou integraci do webu, což činí RIIM internet-ready.
Klíčovými vlastnostmi rozhraní CoAP jsou nízká režie a jednoduchost. CoAP je známé rozhraní, běžně používané zařízeními Internet věcí (IoT) a Machine-to-Machine (M2M). CoAP používá zabezpečení DTLS end to end.
Přímá IP komunikace
Síť RIIM používá v rádiové komunikaci pakety typu 6LoWPAN, a tím podporuje komunikaci IPv6 s každým individuálním senzorem / kontrolerem / aktuátorem.
Hraniční router poskytuje konverzi IPv4 do IPv6 , takže pro komunikaci do vnějšího světa se volitelně používá protokol IPv4. To umožňuje přímou kompatibilitu a dosažitelnost sítě RIIM s většinou cloudových služeb.
Automatické nastavení sítě
Síť typu mesh je 100% automatická. Stačí zadat PAN ID (pevnou adresu sítě, 6 bytů) a síť se sama zkonfiguruje použitím algoritmu, který najde optimální propojení jednotlivých síťových prvků a vytvoří stromovou strukturu grafu sítě. Aby byl každý prvek sítě připojen, vytvoří se routovací tabulka v uzlech větvení. Tato činnost se automaticky provádí i v případě výpadku nebo přidání nového prvku sítě. Kvalitu spojení můžete sledovat pomocí nástroje RIIM Network Dashboard.
Dlouhý dosah a velké pokrytí
Dosah rádiového spojení mezi jednotlivými uzly sítě RIIM je sám o sobě značný. Typická hodnota, potvrzená měřením, je v urbanizovaném prostředí kolem 700 m. Avšak na volném prostoru, bez překážek šíření signálu, je dosah až 20 km. Jelikož síť je tvořena „skoky“ mezi jednotlivými uzly, je plošné pokrytí sítě až desítky km2.
Vysoký počet prvků sítě
Síť RIIM je navržena pro velký počet uzlů s časově synchronizovanými přeskoky kanálů 6TiSCH (time synchronized channel hopping) a krátkou dobou přeladění. To minimalizuje riziko kolize paketů, což je jinak největším problémem sítí s mnoha uzly. Proto síť RIIM může mít až tisíc prvků.
Příprava na budoucnost: bezdrátová aktualizace (Over-the-Air updates)
Se sítí RIIM budou Vaše produkty připraveny na budoucnost. Firmware a data je možno aktualizovat dálkově, rádiem, pomocí funkce RIIM’ OTA (over-the-air updates). Tato užitečná funkce je umožněna díky duplexním komunikačním kanálem mezi uzly a vnitřní pamětí flash každého modulu.
Tak můžete aktualizovat moduly v síti RIIM „v poli“ včetně nových programových rozhraní k senzorům / aktuátorům, nových algoritmů zpracování signálů a bezpečnostních záplat. Také můžete udržovat aktuální systémový rádiový firmware.
Univerzální rozhraní pro senzory/kontrolery
Konfigurovatelné obvody rozhraní ICI poskytují možnost univerzálního připojení vstupních a výstupních zařízení (sensors / controllers / actuators). ICI umožňuje použití I/O obvodů se sběrnicí SPI, I2C, rozhraním UART anebo GPIO či analogovým IO. Konfigurace ICI je snadná, při komplikovaných podmínkách můžete „sestříhat“ ovladač za použití vzorových ovladačů a knihoven.
Toto konfigurovatelné rozhraní spolu s OTA (dálková aktualizace SW) systému RIIM umožňuje prvkům sítě připojit se k naprosté většině současných i budoucích obvodů senzorů / řadičů / aktuátorů.
Další informace o programovatelném systému I/O ICI najdete na stránkách RCF.
Výpočetní platforma Mist (mlha)
Decentralizované provádění výpočtů (Mist computing) je důležitou inovací, protože dramaticky snižuje datové zatížení sítě. Také šetří spotřebu, protože příkon modulu je při komunikaci zhruba 5x vyšší než při provádění výpočtů. Výpočty lze svěřit nízkopříkonovému jádru MCU na rádiovém čipu ve chvílích nečinnosti, zatímco rádiová komunikace vyžaduje napájení výkonových obvodů vysílače.
Zajímavé je, že se nemusíte učit programování v assembleru, ale můžete využít možnost programování v jazyce C a používat existující knihovny.
Typické algoritmy pro decentralizované výpočty (mist computing) jsou:
- Agregace a redukce dat
- Předzpracování dat
- Filtrování
- Rozpoznávání (obrazů, trendů)
- Kontrola mezí a další
Další informace o systému ICI a Mist Computing najdete na stránkách Radiocrafts.
Nízký příkon
Typické hodnoty proudové spotřeby modulu v módu Tx / Rx / Sleep:
- Tx: 26 mA@ 14 dBm
- Rx: 6.2 mA
- Idle: 10uA
To umožňuje RIIM uzlu sítě vydržet 10 let na jednu lithiovou knoflíkovou baterii typu CR2772 (870 mAh) při vysílání 12 bytů každou hodinu, 24 h denně.
Také je možno použít např. akumulátor LiPol velikosti 18650 s kapacitou 2200 mAh a dobíjet ho ze solárního článku. Bylo ověřeno, že i v arktických podmínkách stačí plocha článku 0,5 dm2 pro zajištění trvalého provozu.
Další info o RIIM součástkách a nástrojích: na stránkách Radiocrafts (odkaz).
Pro dostupnost, cenu nebo jiné konkrétní informace kontaktujte distributora Ryston Electronics .
www.ryston.cz
Použitá literatura:
Materiály firmy Radiocrafts AS. Sandakerveien 64, NO-0484, OSLO, Norway.
Detailní informace na stránkách výrobce:
