
около Джейсон Толлефсон, Иэн Сатурли, USB и сетевая группа, Технология микрочипов
Вот простое объяснение того, как построить проводную сеть Интернета вещей, которая не забивается сетевым трафиком.
Большинство людей понимают, что означает слово «надежный». Если вы едете по пустыне Аризоны, вы хотите быть уверены, что выбранный вами автомобиль надежен, чтобы вы не оказались 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, смирились с ненадежным подключением к Интернету для своих подключенных к Интернету вещей. Когда дело доходит до обеспечения работы наших устройств, разве надежность не должна быть так же важна, как и сами устройства? Подумайте о шоу, которое вы запоем смотрели онлайн. Есть ли что-нибудь более неприятное, чем вращающееся колесо или застопорившийся 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 и к 2020 году достигнет 20 миллиардов (Gartner 2015). Кроме того, его приложения будут охватывать несколько категорий в соответствии с испанским производителем беспроводных датчиков Libelium Comunicaciones Distribuidas S.L.
Хотя узлы Интернета вещей обычно ассоциируются с низкими скоростями 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 максимальной надежной пропускной способности нет ничего лучше, чем проводное соединение.
Элементы проводной системы Интернета вещей
Рассмотрим сеть Интернета вещей, построенную из четырех одноплатных компьютеров Raspberry Pi. Raspberry Pi подключены к другим узлам сети с помощью 10/100 fast Ethernet. Два подключаются непосредственно к пятипортовому коммутатору, в то время как остальные последовательно подключаются через трехпортовые коммутаторы с локальными микроконтроллерами (MCU) к пятипортовому коммутатору. Эта система является представителем высокопроизводительной системы Интернета вещей, которую можно найти в производственной среде, в домах или автоматизированных зданиях, или в системах безопасности, чтобы назвать несколько применений.
Пятипортовый коммутатор имеет восходящую линию gigabit Ethernet. Такая конфигурация коммутатора обеспечивает превосходную пропускную способность за счет обеспечения высокоскоростной связи с постоянным ПК. ПК подключается к гигабитному порту Ethernet с помощью мостового устройства. Мост принимает гигабитный Ethernet и преобразует его в универсальную последовательную шину (USB) 3.1, обмениваясь данными со скоростью 5 Гбит/ с, а затем подключается к USB-порту ПК.
Такую сеть можно было бы многократно реплицировать, добавив дополнительные коммутаторы к гигабитной сети.
Эта топология обеспечивает максимально надежную полосу пропускания за счет обеспечения адекватных скоростей передачи данных по всей сети. Каждый Raspberry Pi способен передавать 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 экономичное решение, поскольку сети 10/100 по своей сути являются менее дорогостоящими.
Raspberry Pi и микроконтроллеры в системе генерируют данные в сети. В этом примере каждый из четырех Raspberry Pi запускает инструмент измерения производительности сети под названием “iperf”. Генерируемые данные включают пропускную способность и потерю пакетов.
К сети последовательно подключены два микроконтроллера. Каждый из двух микроконтроллеров запускает код, предоставленный Interniche, компанией по разработке программного обеспечения для встраиваемых сетей. Код предоставляет службы управления устройствами, такие как управляемая информационная база (MIB) и идентификаторы объектов (OID), которые могут совместно использоваться в сети с помощью протокола Simple Network Management Protocol (SNMP). Также запущен MQTT (ранее MQ Telemetry Transport protocol). 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 дуплекса по всей сети. Кодирование цветового 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 середине сети. В этом представлении вы можете видеть, что на каждый сегмент сети отправляется большой объем данных. Однако светло-голубой и белый цвета вышестоящего гигабитного порта показывают идеальный баланс этой сети, поскольку загрузка минимальна. Это показывает, что пропускная способность каждого узла Интернета вещей максимальна, в то время как постоянный ПК обладает достаточной пропускной способностью. Если бы эта сеть была подключена к более крупной гигабитной сети, она не затопила бы большую установку данными, поэтому она обеспечивает максимальную надежную пропускную способность.
Подключение приложения интернета вещей
Если бы мы действительно добавляли проводной Ethernet к сети 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 оно еще не присутствует: добавление контроллера Ethernet, моста или физического уровня (PHY). Контроллеры Ethernet используются в приложениях, где MCU не имеет встроенного контроллера доступа к мультимедиа (MAC). Существует несколько разновидностей, которые используют последовательные периферийные интерфейсы (SPI) или параллельные интерфейсы к MCU.
Мосты обычно используются с системой на кристалле (SoC) или микропроцессорным блоком (MPU). Мосты используют интерфейс USB или периферийных компонентов Interconnect express (PCIe) для подключения к процессору и преобразования в Ethernet.
Ethernet PHY или приемопередатчик используется в приложениях с MCU, SoC или MPU, которые имеют MAC на борту. PHY — это физический интерфейс Ethernet, для которого требуется специальный интерфейс процессора. Для расширения охвата сети отличным вариантом является последовательное соединение. Сетевой коммутатор — это устройство с двумя или более портами, обеспечивающее последовательное соединение. 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. Пример можно найти в LAN9303 от Microchip, где клиенты с проверенным дизайном с одним портом могут масштабироваться до двухпортовой платформы.
Дизайн аппаратного обеспечения во многом связан с получением максимально надежной полосы пропускания, доступной с помощью проводного Интернета вещей. На скорость передачи данных может существенно повлиять компоновка платы и используемые компоненты. Может быть полезно воспользоваться услугами поставщика Ethernet, который предоставляет услуги по проверке дизайна. Эти услуги часто бесплатны и могут привести к значительно лучшим результатам. Служба должна проверить вашу проектную схему, предоставить рекомендации по печатной плате (PCB) и проанализировать расположение и маршрутизацию вашей печатной платы. Эти проверки дизайна могут предотвратить многократные вращения дизайна платы.
Диагностика — это 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 дать представление о возможном состоянии неисправности 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 долгосрочный набор данных. Эта информация помогает предвидеть отказ, направлять техническое обслуживание и минимизировать время простоя.
В целом, нетрудно подключить любое приложение на базе процессора к Интернету вещей с помощью проводного соединения. 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 правильно сбалансированных подсетей, как в примере с пятипортовым коммутатором, можно избежать задержек трафика и контролировать затраты.
Ресурсы:
Gartner, Inc.
www.gartner.com/newsroom/id/3165317
Компания Libelium Communications Distributed 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