авторы: Джейсон Толлефсон, Иэн Сатерли, группа USB и сетевых технологий, Microchip Technology
Вот простое объяснение того, как построить проводную сеть Интернета вещей, которая не будет забита сетевым трафиком.
Большинство людей понимают, что означает слово «надежный». Если вы едете по пустыне Аризоны, вы хотите быть уверены, что выбранное вами транспортное средство надежно, чтобы не оказаться в затруднительном положении. Когда вы покупаете новый прибор, вы, скорее всего, обратите внимание на надежность, чтобы не заменить его раньше, чем ожидалось.
Однако многие люди, похоже, довольствуются ненадежными интернет-соединениями для своих подключенных к Интернету устройств. Когда дело доходит до обеспечения работы наших устройств, разве надежность не должна быть так же важна, как и сами устройства? Вспомните шоу, которое вы запоем смотрели онлайн. Есть ли что-нибудь более неприятное, чем вращающееся колесо или заглохший индикатор выполнения?
Беспроводная технология в высшей степени удобна, но надежность — не первое прилагательное, которое многие выбрали бы для ее описания.
Интернет вещей (IoT) уже состоит из более чем 5 миллиардов конечных узлов, а к 2020 году их число достигнет 20 миллиардов (Gartner, 2015). Кроме того, по словам испанского производителя беспроводных датчиков Libelium Comunicaciones Distribuidas S.L., его приложения будут охватывать несколько категорий.
Хотя узлы интернета вещей обычно ассоциируются с низкой скоростью передачи данных, многие приложения Интернета вещей по-прежнему будут бороться за ограниченную пропускную способность. Беспроводной маршрутизатор может повысить надежность потоковой передачи мультимедиа с помощью WiFi Multi-Media (WMM), но по мере того, как все больше приложений подключается к Wi-Fi, пропускная способность быстро увеличивается.
Для обеспечения максимально надежной пропускной способности нет ничего лучше проводного соединения.
Элементы проводной системы интернета вещей
Рассмотрим сеть интернета вещей, построенную из четырех одноплатных компьютеров Raspberry Pi. Raspberry Pi подключен к другим узлам сети по протоколу 10/100 fast Ethernet. Два подключаются непосредственно к пятипортовому коммутатору, в то время как другие подключаются по последовательной схеме через трехпортовые коммутаторы с локальными микроконтроллерами (MCU) к пятипортовому коммутатору. Эта система представляет собой высокопроизводительную систему интернета вещей, которую можно найти в производственной среде, в домах или автоматизированных зданиях, а также в системах охраны/предохранительного устройства, и это лишь некоторые из применений.
Пятипортовый коммутатор имеет восходящую линию связи gigabit Ethernet. Такая конфигурация коммутатора обеспечивает превосходную пропускную способность за счет обеспечения высокоскоростного соединения с резидентным ПК. ПК подключается к порту gigabit Ethernet с помощью мостового устройства. Мост принимает гигабитный Ethernet и преобразует его в универсальную последовательную шину (USB) 3.1 со скоростью передачи данных 5 Гбит/с, а затем подключается к USB-порту ПК.
Такую сеть можно было бы многократно реплицировать, добавив дополнительные коммутаторы к гигабитной сети.
Такая топология обеспечивает максимально надежную пропускную способность за счет обеспечения адекватных скоростей передачи данных по всей сети. Каждый Raspberry Pi способен развивать скорость только 100 Мбит/с. Если бы коммутатор был просто коммутатором 10/100, произошла бы потеря полосы пропускания из-за приоритета пакетов и коллизий. При использовании гигабитного коммутатора потери полосы пропускания не происходит. Эта топология также обеспечивает оптимизированное с точки зрения затрат решение, поскольку сети 10/100 по своей сути дешевле.
Raspberry Pi и микроконтроллеры в системе генерируют данные по сети. В этом примере каждый из четырех Raspberry Pi запускает инструмент измерения производительности сети под названием «iperf”. Генерируемые данные включают в себя полосу пропускания и потерю пакетов.
К сети последовательно подключены два микроконтроллера. Каждый из двух микроконтроллеров запускает код, предоставленный Interniche, компанией, занимающейся разработкой программного обеспечения для встраиваемых сетей. Код предоставляет службы управления устройствами, такие как база управляемой информации (MIB) и идентификаторы объектов (OID), которые могут совместно использоваться в сети с помощью протокола Simple Network Management Protocol (SNMP). Также запущен MQTT (ранее — транспортный протокол телеметрии MQ). Созданный задолго до появления концепции Интернета вещей, MQTT — это облегченный протокол обмена сообщениями для публикации / подписки, подходящий для Интернета вещей благодаря минимальным требованиям к пропускной способности.
Как только сеть генерирует данные о производительности, эти данные должны отображаться таким образом, чтобы помочь определить важные характеристики. Карта погоды может отображать загрузку сети Интернета вещей.
Карта погоды отображает условия полного дуплексного доступа по всей сети. Цветовое кодирование спектра может обеспечить мгновенное представление о проценте загрузки сети. Оранжевый и красный цвета могут указывать на высокие условия загрузки.
На прилагаемой схеме пятипортовый коммутатор расположен в центре сети. В этом представлении вы можете видеть, что на каждый участок сети отправляется большой объем данных. Однако светло-голубой и белый цвета вышестоящего гигабитного порта демонстрируют идеальный баланс этой сети, поскольку нагрузка минимальна. Это показывает, что пропускная способность каждого узла Интернета вещей максимальна, в то время как резидентный ПК обладает достаточной пропускной способностью. Если бы эта сеть была подключена к более крупной гигабитной сети, она не перегружала бы более крупную установку данными, поэтому она обеспечивает максимально надежную пропускную способность.
Подключение приложения интернета вещей
Если бы мы действительно добавляли проводной Ethernet в сеть в этом примере, конечное устройство заменило бы либо одну из плат Raspberry Pi, либо PIC32 Ethernet Starter Kit II.
Существует три способа добавить Ethernet в приложение, если его еще нет: добавление контроллера Ethernet, моста или физического уровня (PHY). Контроллеры Ethernet используются в приложениях, где микроконтроллер не имеет встроенного контроллера доступа к мультимедиа (MAC). Существует несколько разновидностей, которые используют последовательные периферийные интерфейсы (SPI) или параллельные интерфейсы к микроконтроллеру.
Мосты обычно используются с системой на кристалле (SoC) или микропроцессорным блоком (MPU). Мосты используют интерфейс USB или Peripheral Component Interconnect express (PCIe) для подключения процессора и преобразования в Ethernet.
Ethernet PHY или приемопередатчик используются в приложениях с микроконтроллером, SoC или MPU, на борту которых установлен MAC. PHY является физическим интерфейсом Ethernet и требует специального интерфейса процессора. Чтобы расширить охват сети, отличным вариантом является последовательное подключение. Сетевой коммутатор — это устройство с двумя или более портами, обеспечивающее последовательное подключение. Обратите внимание на такие функции, как virtual PHY, которые позволяют коммутатору выглядеть в системе как обычный PHY. Это устраняет нагрузку и риск при добавлении портов. Примером может служить LAN9303 от Microchip, где клиенты с проверенной однопортовой конструкцией могут перейти на двухпортовую платформу.
Дизайн аппаратного обеспечения во многом связан с получением максимально надежной полосы пропускания, доступной при использовании проводного Интернета вещей. Расположение платы и используемые компоненты могут существенно повлиять на скорость передачи данных. Может быть полезно обратиться к поставщику Ethernet, который предоставляет услуги по проверке конструкции. Эти услуги часто бесплатны и могут привести к значительно лучшим результатам. Служба должна проверить вашу проектную схему, предоставить рекомендации по использованию печатной платы (PCB) и проанализировать расположение и маршрут вашей печатной платы. Эти проверки дизайна могут предотвратить многократное повторение дизайна платы.
Диагностика — еще одна необходимость. Они являются особенностью сетевого коммутатора. Коммутатор включает в себя счетчики, которые может считывать главный процессор. Иллюстрация сетевой карты погоды на прилагаемом рисунке была сгенерирована с использованием этих счетчиков. Диагностическая информация может даже использоваться в качестве услуги, приносящей доход.
Индикатор качества сигнала (SQI) — это показатель, который может показывать качество связи между устройствами. Он также может указывать на возможную неисправность до того, как будет обнаружена фактическая ошибка. Часто механизм отказа связан с каким-либо состоянием окружающей среды. Такие функции, как SQI и счетчики переключений, могут генерировать долговременный набор данных. Эта информация помогает предвидеть сбои, направлять техническое обслуживание и минимизировать время простоя.
В целом, подключить любое приложение на базе процессора к Интернету вещей с помощью проводного соединения несложно. Проверка конструкции поставщиком при добавлении Ethernet с помощью PHY, моста или контроллера может привести к созданию высоконадежного приложения интернета вещей. При настройке в сети с использованием должным образом сбалансированных подсетей, как в примере с пятипортовым коммутатором, удается избежать задержек трафика и контролировать затраты.
Ресурсы:
Gartner, Inc.
www.gartner.com/newsroom/id/3165317
Libelium Communicaciones Distribuidas S.L.
www.libelium.com/top_50_iot_sensor_applications_ranking
Технология микрочипов
www.microchip.com
Основы SNMP в Paessler AG
www.kb.paessler.com/en/topic/653-how-do-snmp-mibs-and-oids-work
Свежие комментарии