Использование шлюза - Виды взаимодействия в Интернете вещей

В Интернете вещей шлюз используется не только для прямой связи интернет-вещей с пользователем, но и при использовании централизованного сервера. Шлюзы служат средством для объединения локальных сетей интернет-вещей с глобальной сетью и связью с сервером управления или конечным пользователем. Поскольку локальные сети интернет-вещей представляют собой в основном беспроводные сенсорные сети, то шлюзы, используемые в Интернете вещей, аналогичны используемым в территориально-распределенных сенсорных сетях. Существует несколько способов организации шлюзов.

Первый способ заключается в использовании компьютеров, которые имеют точку доступа к глобальной сети Интернет, и каждая из объединяемых сетей подключена к такому компьютеру. Основными недостатками такого подхода являются стоимость и громоздкость. Сенсорные сети состоят из миниатюрных датчиков и должны работать автономно, однако территориально-распределенная сенсорная сеть при таком подходе теряет свойство автономности, поскольку теперь она зависит от наличия электричества и точки доступа в Интернет на компьютере.

Второй способ заключается в использовании устройства-шлюза, позволяющего соединить сенсорную сеть с ближайшей проводной сетью, имеющей выход в Интернет. Такой проводной сетью, как правило, является Ethernet-сеть. Устройство имеет в себе приемопередатчик, совместимый с объединяемой сенсорной сетью, порт для подключения к сети Ethernet и микроконтроллер, выполняющий функции преобразования пакетов одной сети в формат другой. Такой способ отличается меньшей стоимостью, чем первый и размер такого устройства небольшой, но оно нуждается в относительно высоком энергопотреблении из-за того, что стандартные проводные сети не рассчитаны на низкий уровень сигнала и потребления энергии. Также такое устройство не может гарантировать наличие точки доступа в ближайшей проводной сети.

Третий способ заключается в использовании устройства-шлюза, которое является полностью автономным и само предоставляет точку доступа к сети Интернет. Это возможно при использовании беспроводных технологий передачи данных. Устройство состоит из одного приемопередатчика, совместимого с сенсорной сетью и второго - совместимого с той или иной глобальной беспроводной сетью, в область действия которой попадает сенсорная сеть. Такими сетями могут служить GSM или WiMAX. Использование сети GSM является более экономичным в плане энергопотребления.

Существуют также шлюзы, предоставляющие доступ сенсорным сетям к ближайшим сетям Wi-Fi для поиска точки доступа к сети Интернет.

Таким образом, если необходимо организовать полностью автономную территориально-распределенную сенсорную сеть, то следует использовать третий способ. Если же сенсорная сеть используется как часть какой-либо крупной проводной сети, то нет необходимости в ее полной автономности и возможно использование первых двух способов.

шлюз в территориально-распределенных сенсорных сетях

Рисунок 2. Шлюз в территориально-распределенных сенсорных сетях

Чаще всего в Интернете вещей используется третий способ - шлюз, имеющий аппаратно-программные средства для работы в сетях ZigBee и GSM, а также имеющий возможность использования GPRS/EDGE канала для доступа в сеть Internet. В силу данной особенности и того, что локальные сети интернет-вещей обычно основаны на стеке протоколов ZigBee, наиболее часто используемым устройством является ZigBee-GSMшлюз.

ZigBee-GSM шлюз представляет из себя систему, состоящую из двух основных частей: узел сети ZigBee и узел сети GSM, соединенных последовательным интерфейсом UART. В качестве узлов этих сетей могут выступать встраиваемые модули. Такие модули разрабатываются различными компаниями, такими как Jennic, Digi для сетей ZigBee и Siemens, SierraWireless для сетей GSM. Встраиваемые модули выпускаются для конструкторских разработок, для создания автоматизированных систем и аппаратно-программных комплексов на их основе.

Ниже представлена упрощенная общая схема ZigBee-GSMшлюза.

функциональная схема zigbee-gsmшлюза

Рисунок 3. Функциональная схема ZigBee-GSMшлюза

В настоящее время шлюзы в сенсорных сетях активно используются для интеграции и совместной работы различных технологий. За последние 4 года различными компаниями были разработаны всевозможные варианты шлюзов для сенсорных сетей, объединяющих в себе все современные беспроводные технологии, такие как Wi-Fi, WiMAX, GSM/GPRS, Bluetooth, GPS.

Современная тенденция в разработке шлюзов для сенсорных сетей направлена в первую очередь на использование новейших беспроводных технологий и интеграцию их в одном устройстве. Однако для интернет-вещей сохраняется приоритет в таких критериях, как стоимость и энергопотребление. Поэтому шлюзы должны им соответствовать и иметь не слишком сложную и дорогую конструкцию.

Говоря об энергопотреблении приемопередающих устройств можно сказать, что операция передачи данных на сервер состоит из следующих этапов:

Накопление информации;

Включение или выход из режима сна GSM/GPRS модуля;

Установка соединения с сервером;

Передача информации;

Переход в спящий режим или выключение.

Был проведен ряд исследований, где установлено, что GSM/GPRS устройства тратят от нескольких до десятков секунд на установление связи с сетью, а также, в случае использования TCP/IP стека, на получение IP-адреса и установление соединения с сервером. Соответственно, если необходимо использовать спящий режим, то время сна и накопления информации нужно взять сравнительно больше, чем время соединения устройства с сервером.

На кафедре вычислительных систем и сетей в лаборатории WiSeNetLabбыл разработан ZigBee-GSMшлюз, максимально удовлетворяющий критериям стоимости и энергопотребления. Это было достигнуто путем подбора компонентов для разрабатываемого устройства, в том числе и основных модулей, выбирая их по данным критериям. Была также разработана математическая модель энергопотребления ZigBee-GSMшлюза, позволяющая сконфигурировать его в соответствии с любыми требованиями к потреблению энергии.

Похожие статьи




Использование шлюза - Виды взаимодействия в Интернете вещей

Предыдущая | Следующая