اتصالات چندپروتکلی/ چندباندی فرآیند طراحی بی‎سیم ‎را ساده می‎کنند

این مطلب یکی از مجموعه مقالات پرونده ویژه «اینترنت اشیا صنعتی» شماره 194 ماهنامه شبکه است. علاقه‌مندان می‌توانند کل این پرونده ویژه را از روی سایت شبکه دانلود کنند. 

امروزه، اینترنت اشیا و به‌ویژه اینترنت اشیا صنعتی وعده داده‎اند که تغییراتی به‌مراتب فراتر از نیازهای ما را به ارمغان آورند. حالا دیگر ما انتظار داریم بتوانيم وضعیت دمای خانه خود را از راه دور و با استفاده از تلفن هوشمند خود تحت نظر داشته باشیم و کنترل کنیم. انتظار داریم ساختمان‎ها ی اداری ما بتوانند با کنترل مصرف انرژی به‌وسیله خاموش کردن لامپ‎ها در زمان‎ هایی که کسی حضور ندارد، بتوانند در هزینه‎ها صرفه‌جویی کنند. همچنین، ساختمان بتواند «تشخیص دهد» چه زمانی ما حضور داریم و محیط پیرامون را برای ما دلپذير و امن کند. برای فراهم ساختن شرایط لازم برای دنیای متصل پیرامون ما، سیستم‎ها و دستگاه‎های اینترنت اشیا با چنان سرعتی در حال رشد هستند که خود ما از آن بی‌اطلاعیم. سیستم‎های امنیت بی‎سیم، کارت‎های دسترسی، حسگرهای نصب شده در همه جا، حسگرهای از راه دور دما و بسیاری دیگر از دستگاه‎های متصل در همه جای خانه‎ها، دفاتر کار، کارخانه‎ها و زیرساخت‎های درون‌شهری حضور دارند.
شبکه پیچیده و به‌هم پیوسته‎ای از حسگرهای باسیم و بی‎سیم وجود دارند که اینترنت اشیا را توسعه و شکل می‎دهند. برای جایگزینی این حسگرهای به‌هم پیوسته به هزینه و امکانات گسترده‎ای نیاز است. وعده‎های صنعت اینترنت اشیا نیز بار آن را افزایش می‎دهد. استقرار حسگرهای بی‎سیم جدید در حال حاضر با ظهور فناوری چندپروتکلی بسیار راحت‎تر شده است. این فناوری شامل سخت‌افزار و نرم‌افزاری است که یک دستگاه SoC را قادر می‎سازد تا از چند پروتکل بی‎سیم از قبیل بلوتوث کم‌مصرف BLE)، Zigbee و Thread) پشتیبانی کند و چند فرکانس مختلف از باندهای زیرگیگاهرتز تا 2.4 گیگاهرتز را تحت پوشش قرار دهد. اما از آنجا که زیرساخت‎های اینترنت اشیا بر اساس سیستم‎های قدیمی‎ بنا شده است، باید چالش اضافه کردن فناوری‎های بی‎سیم 802.15.4 به زیرساخت‎های جديد اینترنت اشیا را نیز در نظر داشته باشیم. پشتیبانی از سیستم‎های قدیمی‎ تنها چالش پیش رو نیست. علاوه بر این، پیچیدگی‎هایی وجود دارد که از رقابت استانداردهای پروتکل که اغلب برای رفع چالش‎های اتصالی مشابه استفاده می‎شده است ناشی می‎شود.

مطلب پیشنهادی

اینترنت اشیا یا اینترنت اشباح ...

یک گره معمولی اینترنت اشیا 
اولین موضوعی که برای درک بهتر شبکه گسترده‎ای از حسگرهای پیرامون ما باید به آن توجه کرد این است که آن‌ها مبتنی بر فناوری میکروکنترلر (MCU) هستند که با نوعی عنصر سنجش ترکیب شده‎اند. این‌ها با یکدیگر سیستم آنالوگ محیطی را به بسته‎های دیجیتال تبدیل می‎کنند. داده‎ها اغلب بعد از اندازه‌گیری باید برای پردازش بعدی به کلاود فرستاده شوند. شیوه انتخابی برای این جابه‌جایی در بسیاری از موارد بی‎سیم است. بسته‎های داده‎ای حسگرهای بی‎سیم در اغلب موارد اندازه کوچکی دارند و گره‎های بی‎سیم خود باید اندازه، هزینه و انرژی مناسب را فراهم کنند.
در گذشته برای دستیابی به چنین اتصالی خیلی از تأمین‌کنندگان از فرکانس‎های رادیویی زیرمگاهرتزی و همین ‎طور پروتکل‎های بسیار سبک بهینه‌سازی شده برای طول عمر باتری استفاده می‎کردند. آن‌ها مجبور بودند پروتکل‎های غیرضروری اختصاصی خود را ایجاد کنند، زیرا گزینه‎های موجود یا انرژی زیادی مصرف می‎کردند یا به محدوده مورد نظر گسترش پیدا نمی‎کردند. اما حالا گزینه‎های مبتنی بر استاندارد باثبات و کم‌مصرفی همچون Thread، Zigbee و (Bluetooth low energy (BLٍٍE در اختیار توسعه‌دهندگان وجود دارند. (شکل 1) 

شکل 1- طرح سوئیچ چندپروتکلی به دستگاه‎های متصل شده امکان می‎دهد پروتکل بی‎سیمی‎ را که اجرا می‎کنند به‌وسیله بوت لودینگ ایمیج یک میان‌افزار در زمان استقرار دستگاه در مدار تغییر دهند. برای مثال، این تکنیک ممکن است از قابلیت اتصال تلفن هوشمند برای جابه‌جایی از بلوتوث کم‌مصرف به Thread و Zigbee یا سایر شبکه‎های بی‎سیم استفاده کند.

طراحان دستگاه‎های اینترنت اشیا اغلب با معضلاتی در طراحی یک محصول واحد مواجه هستند. این معضلات باعث شده است تا در عمل دستگاه‎های اینترنت اشیا این توانایی را نداشته باشند تا با همه استانداردهای بی‎سیم موجود کار کنند. تعداد کمی‎ از سازندگان دستگاه‎های اینترنت اشیا منابع و زمان کافی در اختیار دارند تا به‌منظور ساخت طرح‎های خاصی که می‎تواند از تمام استانداردهای بی‎سیم ممکن استفاده کنند به کار گرفته شوند. وقتی دو پشته با سخت‌افزار مشترک در یک SoC یکسان اجرا می‎شوند، پیاده‌سازی باید به گونه‎ای صورت گیرد که یکپارچگی شبکه حفظ شود. پیاده‎سازی چنین طرح سخت‎افزاری فرآیندی بسیار پیچیده است.

مطلب پیشنهادی

ویدیو: سونامی اینترنت اشیا - مصاحبه با رئیس کمیسیون اینترنت اشیا و داده‌های عظیم

سامانه‎های چندپروتکلی/ چندباندی 
سیستم‎های چندپروتکلی/ چندباندی نشان داده‎اند که برای طیف گسترده‎ای از کاربردها مفید هستند. اتصالات چندپروتکلی به‌واسطه برنامه‎پذیر بودن به‌شکل ساده‎ای قابل پیاده‎سازی هستند. مسئولان بخش مهندسی سازمان‎ها به این موضوع پی برده‎اند که وقتی یک دستگاه واحد می‎تواند در بین خیلی از محصولات نهایی مستقر شود، استفاده مجدد از بسیاری از کدها را امکان‎پذیر می‎سازد و بهره‎وری را تا حد زیادی افزایش می‎دهد. مهندسان می ‎توانند یک شماره قطعه SoC واحد را که می‎تواند Thread ،Zigbee و BLE را اجرا کند مشخص کنند. در ادامه مهندسان می‎توانند در زمان تولید محصول تصمیم بگیرند که آیا این محصول بهتر است بلوتوث را اجرا یا به‌عنوان یک محصول زیرگیگاهرتزی عمل ‎کند. این رویکرد تولیدکنندگان را قادر می‎سازد تا در حالی که انعطاف‎پذیری محصول را به حداکثر می‎رسانند، فشار مالی را هم به حداقل برسانند.
سیستم چندپروتکلی قابل سوئیچ کردن برای مصرف‌كننده نهایی نیز فواید زیادی دارد. این فناوری به عنوان مثال به متصدیان واحدهای ارائه‎کننده خدمات این امکان را می‎دهد تا محصولات را از طریق اپلیکیشن‎های تلفن هوشمند عرضه و پیکربندی کنند. با وجود این، پیاده‎سازی چنین مکانیسمی برای طیف گسترده‎ای از شبکه‎ها می‎تواند دشوار باشد. در چنین شرایطی است که فناوری چندپروتکلی قابل سوئیچ این فرآیند را بیش از پیش ساده می‎کند.

 مهندسان می‎توانند یک شماره قطعه SoC واحد را که می‎تواند Thread ،Zigbee و BLE را اجرا کند مشخص کنند. در ادامه می‎توانند در زمان تولید محصول تصمیم بگیرند که آیا این محصول بهتر است بلوتوث را اجرا یا به‌عنوان یک محصول زیرگیگاهرتزی عمل ‎کند. این رویکرد تولیدکنندگان را قادر می‎سازد تا در حالی که انعطاف‎پذیری محصول را به حداکثر می‎رسانند، فشار مالی را هم به حداقل برسانند.

SoC چندپروتکلی/ چندباندی با پشتیبانی از فرکانس‎های اختصاصی زیرگیگاهرتزی و همچنین پروتکل‎های استاندارد در باند 2.4 گیگاهرتز که تنها در یک دستگاه مجتمع شده‎اند، توسعه‌دهندگان را از معضل طراحی نجات می‎دهند. در حالت ایده‎آل یک SoC چندپروتکلی/ چندباندی از یک فرستنده گیرنده بی‎سیم با دو خط رادیویی تشکیل شده است؛ یکی برای زیرگیگاهرتز و دیگری برای نقل و انتقال 2.4 گیگاهرتز. این معماری تجمیع رادیویی به توسعه‌دهندگان اینترنت اشیا این امکان را می‎دهد تا در اجرای پروژه‎های خود آزادی عمل بیشتری داشته باشند. 
سیگنالی از یک فرستنده/ گیرنده چندمنظوره معمولی که به Soc بی‌سیم متصل است را در نظر بگیرید. بعضی از اجزای این فرستنده/ گیرنده رادیویی را می‎توان به اشتراک گذاشت، در حالی که بعضی از مؤلفه‎های آن ‎را باید تفکیک کرد. برای مثال، بخش RF باید اجزای جداگانه‎ای داشته باشد تا بتواند به درخواست‎های مختلف فرکانس پاسخ دهد. یک مودم نیز (که شامل مدولاتور، دمدولاتور و چند سخت‌افزار کدگذاری می‎شود) می‎تواند بین هر دو فرکانس رادیویی به اشتراک گذاشته شود.
این معماری رادیویی رویکردی کاملاً بهینه‌سازی شده، منسجم و مقرون به صرفه به طراحی SoC چندپروتکلی/ چندباندی دارد. بخش‎های مختلف این پروتکل می‎تواند برای پیاده‌سازی استانداردهای ارتباطاتی مختلف مودم را به اشتراک بگذارد. خود مودم نیز بین بخش RF برای دریافت و ارسال بسته‎ها تقسیم شده است. این معماری به اشتراک گذاشته شده نیز به‌خوبی برای توسعه نرم‌افزاری بهینه شده است، زیرا می‎تواند یک رابط کاربری عمومی‎ را برای کاربردهای رادیویی فراهم کند. به همین دلیل، توسعه‌دهندگان می‎توانند یک لایه پیکربندی رادیویی که می‎توان آن را بین پروتکل‎های مختلف به اشتراک گذاشت 
ایجاد کنند.

مطلب پیشنهادی

راهکارهای بهینه جمع‎آوری داده‎ها از گجت‎های هوشمند

این 15 ابزار اینترنت اشیای متصل به رزبری پای جادو می‎کنند

با وجود این، برای پیاده‎سازی یک سیستم چندپروتکلی/ چندباندی به نرم‎افزار بسیار پیچیده‎ای نیاز است. پشته‎های پروتکل بی‎سیم باید به‌اندازه‎ای کارآمد باشند تا بتوانند با مجموعه گسترده‎ای از محصولات سخت‎افزاری کار کنند. آن‌ها باید بتوانند در محیط‎های چندرشته‎ای با سیستم عامل‎های بی‌درنگ (RTOS) کار کنند. در یک کاربرد چندپروتکلی، پشته‎ها باید به‌طور یکپارچه با هم یا به‌وسیله فعال شدن یک محصول اینترنت اشیا کار کنند تا چرخه حیاتشان با استفاده از BLE آغاز و عرضه شود. مزیت تکنیک چندپروتکلی سوئیچ شونده نسبت به چندپروتکلی پویا در این است که دستگاه‎ها به منبع کمتری نیاز دارند، زیرا نیازی به منابع ذخیره‎سازی فیزیکی وجود ندارد و چند پروتکل در بین چند دستگاه بی‎سیم اجرا می‎شود. با چندپروتکلی دینامیک این امکان وجود دارد که با یک SoC از طریق تقسیم زمان بین منابع فیزیکی از دو (یا تعداد بیشتری) پروتکل پشتیبانی کرد. چندپروتکلی‎های پویا به طور معمول بخش اعظمی از منابع دستگاه‎ها همچون حافظه را مورد استفاده قرار می‌دهند و از ساختار نرم‎افزاری پیچیده‎تری نیز برخوردار هستند. این پروتکل به طراحی رادیویی دقیق برای به‌اشتراک‌گذاری منابع رادیویی در بین پروتکل‎های غیرمشابه نیاز دارد. جدول 1 کاربردهای مختلف سیستم چندپروتکلی را نشان می‎دهد.

جدول 1- موارد به‌کارگیری سیستم چندپروتکلی

اگر چه در طرح‎های چند پروتکلی پویا از منابع سخت‎افزاری بیشتری استفاده می‎شود، اما هدف این است که اندازه کوچک‌تر شود و راندمان بالاتری به دست آید. در خیلی از موارد، تکنیک‎های چند پروتکلی پویا پیچیدگی طراحی را کم می‎کنند و هزینه ‎های کلی سیستم را به‌ میزان 50% کاهش می‎ دهند. این صرفه‌جویی تنها با استفاده از یک دستگاه SoC به‌جای دو یا بیشتر مدار مجتمع حاصل می‎شود. ترکیب یک SoC چندپروتکلی با یک سیستم‎ عامل بی‌درنگ نیرومند، پشته‎های بی‎سیم خوش‌ساخت و برنامه‎های محلی می‎تواند به‌راحتی یک طرح اینترنت اشیا که به چند شیوه از اتصال نیاز دارد، به‌شکل مطلوبی پیاده‎سازی کند.
چندپروتکلی متقارن نیز بیشتر در طراحی شبکه‎های Thread و Zigbee مورد استفاده قرار می‎گیرد. در اینجا خیلی از منابع نرم‌افزاری و سخت‌افزاری را به‌دلیل یکسان بودن پروتکل‎ها و پیکربندی رادیویی می‎توان به همان شیوه معمول مورد استفاده مجدد قرار داد. برای مثال، Thread و Zigbee لایه‎های مشابهی از PHY و MAC را به اشتراک می‎گذارند و نیاز به پیکربندی مجدد فرستنده/ گیرنده را به حداقل می‎رسانند. (شکل 2) 
علاوه بر این، Thread و Zigbee این اجزای متعارف را به اشتراک می‎گذارند که باعث می‎شود منابع کارآمدتر به اشتراک گذاشته شوند تا راحت‎تر بتوان آن‌ها را مدیریت کرد. در نتیجه، دستگاه‎هایی که از ردپای حافظه کوچک‌تری استفاده می‌کنند، می‌توانند به کمتر شدن هزینه نهایی تولید یک محصول کمک کنند.

مطلب پیشنهادی

توسعه سیستم‌های بهینه برای افزایش تعداد برنامه‌های کاربردی اینترنت اشیا

کیت‌های سخت‌افزاری/‌ نرم‌افزاری ویژه اینترنت اشیا در راهند

شکل 2- توصیفی از اتصال چندپروتکلی دینامیک با سه پشته ارتباطی اجرا شده در یک سیگنال رادیویی واحد. با یک مکانیسم تقسیم زمانی، امواج رادیویی بین پروتکل‎ها به اشتراک گذاشته می‎شود. این راهکار پویا امکان استفاده از بلوتوث کم‌مصرف را با سایر پروتکل‎های بی‎سیم فراهم می‎کند. در این تصویر یک دستگاه که به‌طور عادی در Zigbee کار و در فواصل معین از Bluetooth beacon استفاده می‎کند را نشان می‎دهد.

ترکیب همه این فناوری‎ها با یکدیگر 
در حال حاضر، تنها تعداد انگشت‌شماری از تأمین‌کنندگان SoC محصولات چندپروتکلی مبتنی بر SoC یکپارچه و نرم‌افزار بهینه‌سازی شده را عرضه می‎کنند. حتی تعداد کمتری از آن‌ها هستند که ابزارهای توسعه لازم برای ساده کردن پیچیدگی‎های طراحی بی‎سیم چندپروتکلی را ارائه می‎کنند.
چیزی که باعث دشوارتر شدن موضوع می‎شود این است که بعضی اوقات گروه‎های طراحی بی‎سیم در گوشه و کنار جهان پراکنده هستند و اهداف طراحی متفاوتی را دنبال می‎کنند یا ممکن است از بخش‎های تجاری متفاوتی آمده باشند. وقتی چند پشته از چند شرکت یا منبع مختلف آمده باشد، رسیدن به یک سیستم قابل قبول در بین آن‌ها که از انرژی و حافظه محدود استفاده می‎کنند ممکن است سخت باشد. پروتکل‎ها باید در یک سیستم محدود از سخت‌افزارهای کارآمدی استفاده کنند تا از به هدر رفتن چرخه‎های پردازنده و منابع حافظه جلوگیری شود. این کار به‌ویژه زمانی اهمیت پیدا می‎کند که جابه‌جایی بین پشته‎های پروتکل بتوانند راندمان بالایی ایجاد کنند. در غیر این صورت، یا تداخلات بروز خواهند کرد یا انرژی به هدر می‎رود. 

 نیاز به راهکارهای چندپروتکلی/ چندباندی رو به افزایش است، زیرا هیچ پروتکل بی‎سیم واحدی نیست که برای کاربردهای اینترنت اشیا ایده‌آل باشد

به هدر رفتن چرخه‎های پردازنده می‎تواند روی عمر باتری نیز تأثیرات مخربی داشته باشد. ناکارآمدی در پشته‎ها نیز می‎تواند نیاز به حافظه بیشتر و در نتیجه افزایش هزینه سیستم را به‌دنبال داشته باشد. برای دستیابی به یک پروژه موفق توسعه‌دهندگان باید هرکدام از این اجزا همچون سخت‎افزار دستگاه  (SoC یا ماژول)، زمان‎بندی‎های رادیویی، پشته‎ها و سیستم‎ عامل‎های بی‌درنگ را با دقت مد نظر داشته باشند. نیاز به راهکارهای چندپروتکلی/ چندباندی رو به افزایش است، زیرا هیچ پروتکل بی‎سیم واحدی نیست که برای کاربردهای اینترنت اشیا ایده‌آل باشد. در دنیای امروز که نیاز به اتصال همه چیز به‌هم اجتناب‌ناپذیر شده است، شاهد اتصال دستگاه‎هایی به یکدیگر خواهیم بود که به همراه نرم‌افزار تعبیه شده در آن‌ها به‌شکل کاملاً پیچیده‎تری نیازهای متنوع اینترنت اشیا را پوشش می‎دهند.