Введение

Во всем мире увеличивается численность городского населения. Судя по всему, эта тенденция сохранится и в ближайшей перспективе, что приведет к переселению в город сотен миллионов людей в течение нескольких десятилетий. Такое переселение создаст серьезную нагрузку на существующую инфраструктуру.

Чтобы избежать перегрузки и ухудшения функционирования инфраструктуры, необходимо воспользоваться передовыми технологиями. К ним следует отнести «умный город». Эти технологии реализованы, например, в Нью-Йорке, Дубае, Сингапуре, Амстердаме, Бристоле, Мумбаи и ряде других городов.

Обязательным условием существования умного города является свободный поток большого количества передаваемых данных из разных источников. Эти данные относятся к самому широкому ряду разных сервисов. Органы муниципального самоуправления, коммунальные компании, коммерческие компании могут использовать поступающие данные для оптимизации своей деятельности и для быстрого реагирования на возникающие проблемы и узкие места в их работе.

Благодаря интеллектуальным системам организации дорожного движения поток данных позволит избежать дорожных пробок, что благотворно скажется на качестве воздуха. Кроме того, эти данные позволят оперативнее контролировать параметры окружающей среды и быстрее реагировать на аварийные ситуации. Их также можно использовать для управления уличным освещением.

Коммуникации

После того как данные от распределенных источников собраны, их требуется передать для последующего анализа на центральные серверы. Наилучшим образом это делается с помощью беспроводных технологий. В общем случае, беспроводная передача данных экономичнее и надежнее проводной.

Для связи в системах автоматизации зданий или на промышленных предприятиях лучше всего подходят протоколы беспроводной передачи ближнего радиуса действия – Bluetooth, Wi-Fi или Zigbee. Если же речь идет об организации связи в масштабах города, наилучшим решением является территориально распределенная сеть с малым энергопотреблением (LPWAN). Существует целый ряд протоколов LPWAN. Выбор подходящего варианта зависит от требований конкретного проекта. Кратко опишем некоторые протоколы.

Начнем с протокола Sigfox. Он существует уже довольно давно и использует нелицензируемый диапазон ISM, предназначенный для научных, промышленных и медицинских отраслей. Однако ISM – не стандарт, а запатентованная беспроводная технология. Это значит, что в каждой стране имеется только один оператор, поддерживающий данную технологию, и ее распространение зависит от затрат оператора. Протокол Sigfox хорошо подходит для управления парком техники и для решения задач логистики, но не очень удобен для использования в умном городе.

Беспроводная технология LoRa также использует диапазон ISM и реализует полностью двунаправленный обмен данными, в отличие от Sigfox, в которой двунаправленная передача имеет некоторые ограничения. В LoRa применяется шифрование данных по алгоритму AES-128. Первоначально LoRa использовалась для автоматической регистрации сообщений AMR. На ее базе формировались многочисленные сети в умных городах.

LoRa также отлично подходит для сетей коммунальных услуг. У этой технологии – огромный потенциал для связи на умных парковках, в системах мониторинга качества воды и интеллектуальном управлении сбора отходов, а также в других схожих приложениях.

В дополнение к LoRa и Sigfox применяются протоколы сотовой связи LPWAN. Возможно, они будут иметь преимущество по производительности и повышенному качеству обслуживания (QoS), но, по общему мнению, их использование потребует определенных компромиссов. Кроме того, следует учесть затраты на лицензирование.

Узкополосный интернет вещей (NB-IoT), который иногда называется LTE Cat NB1, много унаследовал от мобильной технологии LTE 4G, совместимой с мобильными сетями 2G, 3G и 4G. NB-IoT использует небольшую часть полосы LTE, что уменьшает энергопотребление. Эта технология более эффективна, чем ее несотовые аналоги LPWAN. Поскольку она обеспечивает повышенный уровень защиты, ее можно использовать в случаях, когда требуется платежный шлюз.

Альтернативой NB-IoT служит Cat-M1, целиком базирующаяся на LTE. В этой технологии используется более широкая полоса, чем в NB-IoT (1,4 МГц вместо 250 кГц), что позволяет в три–четыре раза увеличить скорость передачи данных и уменьшить время задержки. Заметим, что при этом возрастает энергопотребление, и за использование этих частот взимается плата.

Оба сотовых протокола LPWAN имеют свои преимущества. Для мобильных приложений лучше подходит Cat-M1, а в случае стационарных и чувствительных к стоимости приложений преимущество переходит к NB-IoT. Технология Cat-M1 получила наибольшее распространение в Северной Америке, а NB-IoT – в Европе и Китае

После выбора требуемого беспроводного протокола следует подобрать аппаратное обеспечение для его реализации. Поскольку в большинстве случаев используется батарейное питание, одним из главных требований к «железу» является низкое энергопотребление. В идеальном варианте устройство должно проработать не менее 10 лет без смены батарей. Еще одним важным требованием, особенно для носимых приложений, является ограничение размеров устройства. Конечно, нельзя забывать о масштабируемости решения, его экономичности и о возможности подключения к оптимизированным антенным устройствам, благодаря чему уменьшится энергопотребление при передаче сигнала.

Модуль ABZ от компании Murata (см. рис. 1) является хорошим выбором: его размеры составляют всего лишь 12,5×11,6×1,76 мм.

Структурная схема модуля показана на рисунке 2.

В состав модуля входит 32-разрядный микроконтроллер STM32L0 от компании STMicroelectronics и трансивер SX1276 с широким динамическим диапазоном от компании Semtech. Максимальная выходная мощность достигает 18,5 дБм, а чувствительность при приеме сигнала составляет –135,5 дБм.

Для реализации сотовой связи LPWAN в продуктовой линейке Murata имеются решения и для NB-IoT, и для Cat-M1.

В новом модуле Type 1SS (размером 10,6×13,2×1,8 мм) для NB-IoT (см. рис. 3), предназначенном для Cat-M1, используется модем MT2625 компании Mediatek. В модуле Type 1SC (размером 11,4×11,1×1,5 мм) применяется модем LT1250 компании Altair. Этот модуль можно использовать в технологиях NB-IoT и Cat-M1.

Оба модуля имеют низкое энергопотребление. В режиме глубокого сна модуль Type 1SS потребляет 3,5 мкА, а модуль Type 1SC – 1,6 мкА. Таким образом, в режиме прерывистой работы с LTE (eDRX) оба модуля способны работать от одной батареи не менее 10 лет.

Выводы

Знание беспроводных технологий LPWAN и учет конкретных требований к системе сбора данных существенно облегчают реализацию системы передачи данных и построение инфраструктуры умного города. При выборе протокола LPWAN следует учитывать несколько обстоятельств: дальность действия, периодичность передачи данных, время задержки передачи, качество обслуживания и энергоэффективность.

Использование модулей Murata предполагает лишь небольшой опыт проектирования беспроводных систем и не требует глубокого знания РЧ-технологий. Эти модули позволяют упростить реализацию беспроводной инфраструктуры. Управление ими осуществляется с помощью стандартных коммуникационных интерфейсов, имеющихся в любом микроконтроллере, – SPI, I2C, UART, USB.

По всем вопросам, связанным с продукцией компании Murata, обращайтесь по адресу murata@symmetron.ru.