“إن ثورة إنترنت الأشياء على وشك الحدوث ، وبحلول عام 2020 سيكون هناك أكثر من 30 مليار عنصر متصل في العالم. في الوقت الذي يستمر فيه عدد سكان العالم في النمو وتصبح الموارد أكثر قيمة ، يعد هذا الترابط بتوفير بيانات واقعية لتعزيز الكفاءات وتبسيط ممارسات الأعمال.
“
إن ثورة إنترنت الأشياء على وشك الحدوث ، وبحلول عام 2020 سيكون هناك أكثر من 30 مليار عنصر متصل في العالم. في الوقت الذي يستمر فيه عدد سكان العالم في النمو وتصبح الموارد أكثر قيمة ، يعد هذا الترابط بتوفير بيانات واقعية لتعزيز الكفاءات وتبسيط ممارسات الأعمال.
مع التبني الواسع لبروتوكول الإنترنت (IP) ، أصبح من الأسهل معالجة البيانات والاستفادة القصوى من المعلومات. تقدم شركات Fortune 500 حلول المؤسسات وقواعد البيانات لتخزين البيانات وأدوات البرمجيات لتبسيط العمليات التجارية مثل تتبع الأصول وأنظمة التحكم في العمليات وأنظمة إدارة المباني (انظر الشكل 1). تزود الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية الأشخاص بمعلومات مفيدة للغاية ، مثل توفير معلومات وقوف السيارات في الوقت الفعلي ، أو معلومات المراقبة في الوقت الفعلي حول حالة الأجهزة لوضع خطط الصيانة. تم نشر العديد من أجهزة الاستشعار اللاسلكية حتى الآن ، ولكن لا تزال هناك حاجة ماسة إلى المزيد من أجهزة الاستشعار لتوفير البيانات من أجل قياس وتحسين العمليات التي لم يتم استخدامها من قبل.
الشكل 1: سيتم استخدام شبكات مستشعرات IP اللاسلكية الموثوقة منخفضة الطاقة على نطاق واسع
لتوسيع نطاق نشر أجهزة الاستشعار ، يجري العمل على معايير IP بهدف جعل أجهزة الاستشعار اللاسلكية الصغيرة سهلة الاستخدام مثل خوادم الويب. هناك قوتان دافعتان وراء أعمال تطوير المعايير: الأولى هي الأداء الموثوق به العالي المعترف به لشبكات الشبكة المتداخلة منخفضة الطاقة والمتزامنة مع الوقت ؛ التكامل السلس للإنترنت. سيؤدي الجمع بين هاتين القوتين إلى تسهيل الاتصال الموثوق به لأجهزة الاستشعار الصغيرة منخفضة الطاقة ، وفي النهاية تمكين هذه المستشعرات من IP.
التحديات التي تطرحها شبكات الاستشعار اللاسلكية
لا يمكن الاعتماد على الاتصال اللاسلكي بطبيعته ، لذلك من المهم فهم مصادر عدم الموثوقية من أجل معالجة عدم الموثوقية في أنظمة الاتصال. في الشبكات اللاسلكية منخفضة الطاقة ، فإن المصادر الرئيسية لعدم الموثوقية هي التداخل الخارجي والخبو متعدد المسارات. يحدث التداخل عندما تمنع إشارة خارجية ، مثل إشارة WiFi ، مؤقتًا نظامي راديو من الاتصال. وهذا يتطلب منهم إعادة إرسال الإشارة ، وبالتالي استهلاك المزيد من الطاقة. يحدث الخبو متعدد المسارات عندما ترتد إشارة لاسلكية عن كائن في جهاز إرسال قريب ، ويمكن أن تتسبب الأصداء المختلفة في حدوث تداخل مدمر في هوائي المستقبل. هذه الظاهرة هي دالة على موقع الجهاز والتردد المستخدم والبيئة المحيطة. نظرًا لأن البيئة المحيطة بأي نظام لاسلكي تتغير بمرور الوقت ، ستواجه أي قناة تردد لاسلكي مشاكل أثناء العمر التشغيلي للنظام اللاسلكي. ومع ذلك ، يتأثر الخبو متعدد التمريرات بالتردد. لذلك ، بينما قد يواجه تردد معين مشاكل ، لا تزال هناك قنوات RF أخرى تعمل بشكل صحيح. بسبب التداخل والخبو متعدد المسارات ، فإن مفتاح بناء أنظمة لاسلكية موثوقة هو تنويع القنوات والمسارات دون التضحية بفوائد التشغيل منخفض الطاقة. كانت Dust Networks (التي أصبحت الآن وحدة أعمال في Linear Technology) أول من قدم مثل هذا النظام باستخدام تقنية الشبكات الشبكية المتزامنة مع الوقت والتنقل بين القنوات.
شبكة متداخلة عبر القنوات متزامنة مع الوقت
في شبكة متشابكة للتنقل بين القنوات متزامنة مع الوقت ، تتم مزامنة جميع العقد اللاسلكية على شبكة متعددة القفزات في غضون عشرات الميكروثانية ، ويتم تقسيم الوقت إلى فترات زمنية. يتم تنسيق الاتصال من خلال جدول يحدد ما يجب أن تفعله كل عقدة في كل فترة زمنية (الإرسال والاستقبال والسكون). نظرًا لأنها جميعها متزامنة ، تقوم هذه العقد بتشغيل أجهزة الراديو الخاصة بها فقط عند الاتصال ، مما يقلل بشكل كبير من دورة عمل الراديو (1٪ أمر شائع) ويطيل عمر البطارية. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأنه يمكن ضبط الجدول بمرونة ، تكون الشبكة متاحة دائمًا للتطبيق ، على عكس بنيات شبكة “السكون” الأخرى التي تتطلب إغلاقًا كاملاً للشبكة لفترات طويلة من الوقت. يتم إرسال جميع الحزم المرسلة بين عقدتين على ترددات محسوبة بطريقة القفز الترددي شبه العشوائي. يعتبر تنويع التردد الناتج طريقة فعالة لمواجهة التداخل والخبو متعدد المسيرات. توفر الشبكات المعشقة المتزامنة مع الوقت عمر بطارية يصل إلى 10 سنوات وموثوقية شاملة بنسبة 99.999٪.
شبكة متداخلة متزامنة مع الوقت ناجحة
في السنوات الأخيرة ، تم استخدام الشبكات الشبكية للتنقل بين القنوات المتزامنة مع الوقت على نطاق واسع. في عام 2004 ، قدمت شركة Dust Networks نظام SmartMesh® لأول مرة ، وكانت العمليات الصناعية من أوائل الشركات التي تبنت هذا النظام.
تعمل بعض التطبيقات الصناعية في أقسى البيئات ولديها أكثر المتطلبات صرامة لسلامة البيانات.إذا كان من الممكن ضمان سلامة البيانات العالية ، يمكن تحسين كفاءة وإنتاجية وسلامة المعدات الصناعية بشكل كبير. نظرًا لأن أجهزة الاستشعار الصناعية السلكية التقليدية باهظة الثمن في التركيب ، يتم إجراء القياسات عمومًا في عدد صغير فقط من نقاط القياس الممكنة في المصنع. على الرغم من أن هذا قد خلق طلبًا كبيرًا على استخدام أجهزة الاستشعار اللاسلكية في التطبيقات الصناعية ، إلا أن الأنظمة اللاسلكية التقليدية من نقطة إلى نقطة تفتقر إلى الموثوقية المطلوبة ويصعب تثبيتها ، مما يحد من استخدام الأنظمة اللاسلكية في التطبيقات الصغيرة والمعزولة.
من خلال إدخال الشبكات المعشقة المتزامنة مع الوقت ، يمكن للأنظمة اللاسلكية توفير الموثوقية المتوفرة عادةً فقط مع الأنظمة السلكية ، وبالتالي يصبح تطبيق الأنظمة اللاسلكية منخفضة الطاقة حقيقة واقعة. يتم توحيد الأنظمة اللاسلكية منخفضة الطاقة من خلال معيار الصناعة IEC62591 (المعروف أيضًا باسم WirelessHART) ، مما يتيح إمكانية التشغيل البيني للأجهزة في سوق العمليات الصناعية. تقدم معظم الشركات الصناعية الكبرى مثل Emerson Process و Siemens و ABB و Endress Hauser و Pepperl Fuchs و Phoenix Contact منتجات Wireless HART. اليوم ، تُستخدم شبكات SmartMesh على نطاق واسع ، مع أكثر من 30.000 شبكة منتشرة في أكثر من 120 دولة حول العالم ، مما يحسن السلامة والكفاءة في مجموعة متنوعة من المواقع ، بما في ذلك مصانع الصلب ومصافي التكرير وحقول النفط البعيدة ومنصات الحفر البحرية والأغذية و مصنع المشروبات (ملحوظة 1).
بالإضافة إلى العمليات الصناعية ، تم أيضًا نشر أنظمة SmartMesh بنجاح في مراكز البيانات ومباني المكاتب التجارية لتحسين تكاليف تكييف الهواء (الملاحظة 2). شبكات ستريت لاين (الملاحظة 3) هي مزود خدمة وقوف السيارات الذكية الذي يراقب توافر أماكن وقوف السيارات في المناطق الحضرية في الوقت الحقيقي (انظر الشكل 2). يتم تثبيت كاشف السيارة تحت مساحة وقوف السيارات ، على سطح الطريق للممر. وهذا يمثل تحديات لأن هوائيات أجهزة الاستشعار تقع تحت الأرض وعندما تكون مساحة الانتظار مشغولة ، يتم تغطيتها بجسم السيارة المعدني. يمكن الآن تحقيق مثل هذه التطبيقات ، التي كانت تُعتبر سابقًا مستحيلة أو غير عملية ، من خلال الشبكات المتشابكة للتنقل بين القنوات المتزامنة مع الوقت.
الشكل 2: تنشر Streetline Networks شبكة تنقل متزامنة مع الوقت لتحسين ظروف وقوف السيارات في المناطق الحضرية مثل هوليوود ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية.
البيئة القائمة على المعايير
في تكنولوجيا الشبكة ، تلعب المعايير دورًا مهمًا حيث يتبنى المستخدمون النهائيون الحلول المطورة بناءً على المعايير. عندما يتم تطوير التكنولوجيا والموافقة عليها من قبل مؤسسة معيارية كبرى ، يمكن للمستخدمين استخدامها بثقة. يعد WirelessHART / IEC62591 معيارًا في مجال العمليات الصناعية ، وخارج هذا السوق ، يعد بروتوكول الإنترنت (IP) معيارًا للاتصال.
تتواصل جميع الأجهزة المتصلة بالإنترنت مع بعضها البعض باستخدام IP. يحصل كل جهاز على عنوان IP ، والذي يمثل بشكل لا لبس فيه ذلك الجهاز على الإنترنت. تحتوي الحزم المتبادلة على رأس IP وسلسلة من البايت (رمز العنوان للجهاز الذي أنشأ الحزمة ورمز العنوان للجهاز الوجهة). هناك العديد من البروتوكولات الأخرى (TCP ، و HTTP ، وما إلى ذلك) المطلوبة لتكوين حزمة بروتوكول ، لكن بروتوكول IP هو القاسم المشترك. ساهم استخدام بروتوكولات IP لتوصيل أجهزة الشبكة المعشقة منخفضة الطاقة بالإنترنت مساهمة كبيرة في تطوير إنترنت الأشياء.
قامت العديد من منظمات التقييس بتطوير معايير لإنترنت الأشياء (انظر الشكل 3). يتمثل التحدي في تحقيق التكامل الكامل مع الإنترنت مع دمج التكنولوجيا التي أثبتت جدواها للشبكات المعشقة للتنقل بين القنوات المتزامنة مع الوقت. تم تطوير معظم البروتوكولات المستخدمة على الإنترنت اليوم من قبل فريق عمل هندسة الإنترنت (IETF) ، وقد طورت مجموعة عمل CoRE في منظمة التقييس هذه CoAP (بروتوكول التطبيق المقيد) في طبقة التطبيق. يعمل CoAP أعلى بروتوكول UDP ويمكن تحويله بسهولة إلى HTTP لتمكين التفاعل الشبيه بالشبكة لعقد المستشعر اللاسلكي. طورت مجموعة العمل 6LoWPAN بروتوكول طبقة التكيف IP الذي يضغط الرؤوس الكبيرة لحزم IP في إطارات أو حزم لاسلكية صغيرة ، مما يتيح معالجة عقد الاستشعار بشكل فردي عن طريق عنوان IP. على الرغم من أن بروتوكولات الطبقة العليا تتيح تفاعلًا يشبه الشبكة والتكامل مع الإنترنت ، إلا أن طبقات البروتوكول الموجودة أسفل بروتوكولات الطبقة العليا هذه هي التي تحدد جودة اتصال WSN.
الشكل 3: مكدس IP لشبكات الاستشعار اللاسلكية الموثوقة منخفضة الطاقة
تعمل المعايير التي صاغها IETF بشكل عام على شرائح لاسلكية تتبع معيار IEEE802.15.4. يقوم IEEE802.15.4 بإجراء مفاضلة صحية بين معدل نقل البيانات (250 كيلو بت في الثانية) ، والنطاق (من 10 إلى 100 متر) ، واستهلاك الطاقة (5 مللي أمبير إلى 20 مللي أمبير عند الإرسال أو الاستلام) ، وحجم الحزمة (حتى 127 بايت). تجعل هذه المقايضة IEEE802.15.4 مناسبًا جدًا لتقنية الشبكة المعشقة منخفضة الطاقة ، لذلك أصبح المعيار هو المعيار الفعلي لهذا النوع من تقنية ارتباط الشبكة.
في عام 2012 ، نشر IEEE معيارًا جديدًا للوصول المتوسط ، IEEE802.15.4e ، يعمل على أجهزة الراديو المتوافقة مع IEEE802.15.4. يشتمل وضع قفزة قناة الفتحة الزمنية (TSCH) على بروتوكول شبكة مزامنة الوقت لشبكات Dust من أجل مزامنة دقيقة للفتحة الزمنية وقفزات قناة التردد اللاسلكي.
على الرغم من أن IEEE802.15.4e يعرّف آلية لعقدتين لتحقيق إرسال رزم متزامن ، إلا أنه لا يحدد كيفية تخصيص جدول لكل عقدة. يمكّن جدول الاتصالات هذا شبكة TSCH من المطابقة المرنة لاحتياجات الاتصال بين عقد الشبكة (انظر الشكل 4). على سبيل المثال ، يمكن تكوين الشبكة كشبكة صغيرة بمعدلات نقل بيانات منخفضة واستهلاك منخفض جدًا للطاقة ، كما هو شائع في تطبيقات مراقبة البيئة عن بُعد. يمكن أيضًا تكوين نفس الشبكة كشبكة كبيرة محسّنة لمعدلات نقل بيانات أسرع. بالإضافة إلى ذلك ، يسمح الجدول الزمني المرن المعين تلقائيًا لشبكة TSCH بالتكيف مع البيئة المحيطة. على وجه الخصوص ، تتيح الجدولة وظائف الشبكة مثل الإصلاح الذاتي ، وتحسين المسار ، وموازنة الحمل ، والتي تعتبر ضرورية لتقديم أداء عالٍ على مدى عمر الشبكة. يمكن تطوير حلول لإنشاء جداول TSCH وتخصيصها ، لكن التشغيل البيني للإرسال اللاسلكي غير ممكن مع مثل هذه الحلول حتى يتم وضع المعيار.
الشكل 4: العقد اللاسلكية الصغيرة القائمة على TSCH مثل LTP5901-IPM من Linear Technology توفر من 5 إلى 10 سنوات من عمر البطارية مع موثوقية بيانات تزيد عن 99.999٪.
ومع ذلك ، فقد تغير الوضع أعلاه مع تطوير عمل معياري جديد في IETF ، والمعروف أيضًا باسم 6TSCH (محدد IPv6 عبر IEEE802.15.4e Time Slotted Channel Hopping – الملاحظة 4). ستعمل جهود التوحيد هذه ، بقيادة Linear Technology و Cisco Systems ، على تطوير بروتوكول الاتصال المفقود حاليًا للسماح بإدارة جداول TSCH بواسطة كيانات الجدولة.
يملأ 6TSCH الفجوات المتبقية في مكدس بروتوكول IP وسيمكن شبكات الاستشعار اللاسلكية الموحدة بالكامل والقابلة للتشغيل البيني والقائمة على بروتوكول الإنترنت ، مما يوفر الموثوقية العالية المتوفرة عادةً فقط في شبكات الاستشعار السلكية. سيتمكن مطورو الشبكات من الحصول على بيانات المستشعر في الوقت الفعلي عن طريق إرسال طلبات الشبكة إلى عنوان IP الخاص بالمستشعر ، وستدعم شبكة المستشعر اللاسلكي الأساسية هذا النوع من الاتصال مع موثوقية بيانات تزيد عن 99.999٪. من خلال جعل أجهزة الاستشعار يمكن الوصول إليها مثل خوادم الويب ، ستكون شبكات الاستشعار اللاسلكية قادرة على تغذية إنترنت الأشياء بمعلومات العالم الحقيقي.