Jump to content

    

Mesh сеть между подвижными объектами.

Задача передачи телеметрии от экскаваторов/бульдозеров/самосвалов в карьере в диспетчерскую. Сразу скажу, что GSM там нет, иначе было бы просто, а Ирридиум дорог.

Вот подумываю о ZigBee, прочитал описание XBee. Но, насколько я понимаю, это не совсем то, т.к. сеть должна постоянно перенастраиваться - никаких роутеров, закреплённых в фиксированном месте, там быть не должно.

Так же подумываю использовать только физику ZigBee, а всё остальное сделать самому (на базе готового стека, конечно). Получается, что в сети должны быть только broadcast сообщения т.к. маршруты будут постоянно меняться. И наличие координатора тут не имеет смысла.

Понравился вариант на ATmega128RFR2, смущает только низкая максимальная выходная мощность передатчика. Какая реально дальность связи достижима? Или можно усилить?

Про ограничения в курсе.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Какие скорости передачи данных интересуют? Можно взять Atmel LwMesh, там по умолчанию стоимость для поиска маршрута равна по ресурсам стоимости бродкаста. И настроить сделать так, чтобы записи с таблице маршрутизации удалялись при первой же ошибке. Таким образом таблица будет просто кешем.

 

Реальная дальность надежной связи - 50-100 м, в идеальных условиях до 150, но это не в карьере точно :) При желании можно и усилить.

 

Бродкасты тоже можно по умному распространять - все устройства должны переслать принятый пакет, тогда его получат все в сети, главное чтобы хоть какая связь была.

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Скорость небольшая. От каждого объекта передаётся порядка 50 байт примерно раз в 10 сек, всего около 100 объектов. Но получается много ретрансляторов, а в случае броадкаста это напряжно.

 

Обязательно нужно как то усиливать. Китайцы продают свои поделия типа DRF2617 и др. на базе CC2530, так у них реально до 500 м работает (четвертьволновая антенна в зеркале заднего вида самосвала) - пробовал. А параболы вообще на 8 км связываются, может и больше - дальше не проверял. Я понимаю, что оно не соответствует никакому стандарту (сконфигурировано на макс мощность). А уж как это Китайское чудо работает... Реально только броадкаст до 32 байт (причём обязательно без координатора в сети, а то всё заткнётся), да и то всё равно периодически затыкается без видимых причин, помогает только выкл/вкл питание (только за счёт этого и работает). Хотя такая тестовая системка (всего 6 подвижных и 1 неподвижный ZigBee) на Китайских изделиях уже успешно работает, но делать так - себя не уважать.

XBee вроде тоже можно сконфигурировать на существенно бОльшую мощность, чем по стандарту, но с ним не экспериментировал. Опасаюсь, что работать не будет вообще - там похоже всё по стандарту сделано, в отличие от того, что у Китайцев. Хотя периодические выкл/вкл питания должны помочь (заново сконфигурируются), но тогда с ретрансляцией проблемы будут (ретранслятор неожиданно пропадать может).

Но почему же у Атмела возможности увеличить мощность нет? Или я не нашёл? Честно признаться не специалист я в этом - как усилить даже не представляю.

Ещё есть 433 мГц и др. варианты, но там пока вообще не смотрел...

 

С LwMesh пока не разбирался.

По прикидке планирую делать так:

1. У каждого девайса имеется жёсткий адрес 1 байт (хватит, более 256 устройств в сети точно не будет).

2. Передающий и каждый ретранслирующий добавляет в посылку свой адрес.

3. Если ретранслятор видит, что его адрес в посылке уже есть, то ретранслирует эту посылку ещё 2 раза.

4. Ещё ограничение по вложенности наверное придётся сделать. Не более 50 ретрансляций в посылке (по кол-ву добавленных адресов), например.

5. Возможно и оптимизацию по излишним ретрансляциям (если прямая связь есть) сделать, но придётся запоминать маршруты недавно ретранслированных посылок. Для этого ОЗУ может не хватить, его там 8 или 16 кБ всего.

6. То, что каждой посылке отправитель присваивает уникальный TAG (точнее не скоро повторяющийся), это само собой.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
Но почему же у Атмела возможности увеличить мощность нет? Или я не нашёл?
Только внешними усилителями. Делать большую выходную мощность на одном чипе сложно, а мест где ее можно легально использовать без дорогого процесса сертификации не так много. Обычно аналоговые фронтенды дают +15 - +17 dB усиления. Я слышал от клиентов, что в чистом поле это работает на 2-3 км, но своими глазами не видел.

 

1. У каждого девайса имеется жёсткий адрес 1 байт (хватит, более 256 устройств в сети точно не будет).
Лучше оставить 2 байта и использовать аппаратный фильтр адресов.

 

2. Передающий и каждый ретранслирующий добавляет в посылку свой адрес.
Обычно для этого пакетам назначают счетчика, а на устройстве заводят таблицу, по которой определяют был ли уже обработан кадр с определенного адреса с определенным счетчиком.

 

3. Если ретранслятор видит, что его адрес в посылке уже есть, то ретранслирует эту посылку ещё 2 раза.
Зачем? Вероятность доставки броадкаста доствточно велика, так как его пересылают очень много устройств.

 

5. Возможно и оптимизацию по излишним ретрансляциям (если прямая связь есть) сделать, но придётся запоминать маршруты недавно ретранслированных посылок. Для этого ОЗУ может не хватить, его там 8 или 16 кБ всего.
Это дофига даже для полноценных протоколов. LwMesh может хранить маршруты для 120 устройств в 1 кБ.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
Обычно аналоговые фронтенды дают +15 - +17 dB усиления.

А что такое аналоговые фронтенды и где их взять? У XBee и DTK они используются? Там за счёт них такая высокая мощность получена? Понимаю, что это ламерский вопрос, но с радиосвязью до этого дело не имел.

+15 Дб - это будет даже с избытком.

А как там на 433 МГц? Там ведь разрешённая мощность, а значит и дальность, побольше.

Обычно для этого пакетам назначают счетчика, а на устройстве заводят таблицу, по которой определяют был ли уже обработан кадр с определенного адреса с определенным счетчиком.

Счётчик - это присваивание отправляющим каждому сообщению своего TAGа? Да, конечно, такая таблица тоже должна быть, но по ней ретранслятор не может сделать вывод кто его слышит, и вообще слышит ли его кто-нибудь.

Зачем? Вероятность доставки броадкаста доствточно велика, так как его пересылают очень много устройств.

Но на пути следования сообщения может встретится узкое место. Т.е. всего 1 ретранслятор между 2-мя группами устройств, да и у того связь на грани слышимости.

Это дофига даже для полноценных протоколов. LwMesh может хранить маршруты для 120 устройств в 1 кБ.

9 ретрансляций (7*9=63) максимум?

Я то подумывал выделить в каждом сообщении битовое поле по числу устройств (128 устройств - 16 байт) - это позволит отправителю узнавать дошло ли его сообщение до адресата, т.е. отказаться от ACK вообще, но требует более продвинутый алгоритм работы ретрансляторов. Чтобы они понимали "туда" или "назад" идёт сообщение (по последовательности адресов ретрансляторов) и не делали излишних ретрансляций. Но что то слишком сложный алгоритм получается, и ОЗУ много нужно. А может что-нибудь и придумается...

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Делали раньше несколько аналогичных проектов как с подвижными так и со стационарными проектами. На этих процессорах будет трудно построить сеть для подвижных объектов, проще для стационарных. Ресурса потребуется много. Для подвижных использовали ARMы. Сами протоколы достаточно сложны, хотя это на первый взгляд кажется просто, если планируете использовать хопы ( ретрансляцию). В штатах до сих пор пишут и защищают докторские по этой тематике.

 

Если уйти от ретрансляции, то есть вариант решения - опрашивать по кругу, до 100 устройств прямым опросом за несколько секунд на большой скорости. Дальность будет определяться мошностью, можно задействовать RSSI для управления мощностью. Решения до 1-2 Ватт есть на трансивере Si4463, можете поискать в AN-ах. Но при большой дальности нужно учитывать местность, хомистость, горая местность, и тп может не позволить иметь устойчивую связь.

Какое у вас максимальное расстояние для связи с объектами?

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Про сложность я уже понял. Поэтому вполне возможно, что так и придётся делать на Иридиуме. Но попытаться стОит...

 

Без ретрансляции никуда - карьер это дырка глубиной метров 100, точнее несколько перемещающихся дырок, разделённых кучами пустой породы, которые возвышаются метров на 50 (тоже перемещаются со временем). Стационарный ретранслятор установить возможности никакой нет.

 

Про Si4463 почитаю, спасибо за наводку.

 

Расстояние небольшое, в районе 10 км, но рельеф крайне сложный. Однако, практически всегда, будет связь через ретрансляторы на самосвалах, вывозящих пустую породу.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Да тут сотни, десятки мегагерц не пройдут. Подойдёт диапазон 1-3 мегагерца, за счёт волновой дифракции. Но там антенны больших размеров нужны. Для покрытия 10км там меньше мощность нужна, но и диапазон тот шумный.

Ретрансляторы выход, но тоже не 100%. Нужно подумать...

C Иридиумом свои заморочки. Как с тарифом, так и со связью. Поскольку у вас карьеры, отвалы, то это сужает горизонт. Спутников не так много, чтобы покрыть и иметь непрерывную связь долго.

Share this post


Link to post
Share on other sites
А что такое аналоговые фронтенды и где их взять?
По сути чип усилителя мощности на передачу (PA) + малошумящий усилитель на прием (LNA). Называются front end module (FEM). Например аппнот AVR2080 описывает как сделать систему с Skyworks SE2431L, но в целом все зависит от цены и возможности достать конкретный чип.

 

А как там на 433 МГц? Там ведь разрешённая мощность, а значит и дальность, побольше.
Я не знаю, я с 433 МГц плотно не работал.

 

Счётчик - это присваивание отправляющим каждому сообщению своего TAGа? Да, конечно, такая таблица тоже должна быть, но по ней ретранслятор не может сделать вывод кто его слышит, и вообще слышит ли его кто-нибудь.
А зачем ему это знать?

 

Но на пути следования сообщения может встретится узкое место. Т.е. всего 1 ретранслятор между 2-мя группами устройств, да и у того связь на грани слышимости.
Но в это узкое место будут долбиться сразу несколько устройств.

 

9 ретрансляций (7*9=63) максимум?
Не понял.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
А зачем ему это знать?

В общих чертах опишу как я представляю представляю броадкаст между подвижными объектами.

Вот мой домодощенный, упрощённый за счёт отказа от маршрутов (не хватит ОЗУ и вычислительной мощности), алгоритм (сделаны и ещё кое-какие упрощения для простоты восприятия):

1. У каждого девайса имеется свой жёсткий N. Допустим, в сети может быть не более 256 устройств, тогда этот N будет размером в 1 байт.

2. Каждый отправляющий присваивает сообщению TAG (для примера - 2 байта), состоящий из своего фиксированного номера (1 байт) и N-ра отправленной посылки (циклический сч-к, тоже 1 байт - в реале, конечно, не так примитивно, но писать много...). По этому TAGу ретрансляторы идентифицируют посылку.

3. В каждой посылке имеется битовое поле, число бит в котором соответствует макс возможному числу устройств в сети. Т.е. если в сети может быть максимум 256 устройств, то поле будет иметь размер 32 байта. И каждый бит жёстко соответствует N устройства.

4. Отправляющий сообщение, и каждый ретранслирующий его, сбрасывает бит, соответствующий своему N, в 0. Изначально, при отправке сообщения, все биты, кроме бита отправителя, =1 (тут возможна оптимизация, но пока не будем об этом).

5. Отправляющий сообщение так же работает как ретранслятор.

6. Если девайс видит, что у принятого и отправленного им сообщение отличается битовое поле, то он производит 2 ретрансляции. Первую сразу же, а 2-ю милисекунд через 5 (так же возможна оптимизация).

7. Таким образом сообщение будет циркулировать (ретранслироваться) по сети пока в нём не окажутся сброшенными все биты, соответствующие устройствам, которые хоть кто-нибудь слышит. А устройства, которые слышат других, а их никто не слышит, поймут сложившуюся ситуацию.

8. ACK при таком алгоритме не нужен. Сообщение гарантировано будет услышано всеми девайсами, присутствующими в сети, и вернётся к отправителю со сброшенными битами всех девайсов, получившись его.

9. Сколько времени каждый девайс должен хранить сообщение (идентифицируемое по TAGу) у себя в ОЗУ - пока не решил. Скорее всего - бесконечно. Т.е. зависит от объёма выделенного ОЗУ - новое сообщение от данного девайса затирает предыдущее. Тогда объём потребного ОЗУ будет зависеть от кол-ва устройств в сети, умноженного на макс размер сообщения (без оптимизации - заранее выделенная таблица). Девайс не должен слать след. сообщение (с другим TAGом) пока не получит предыдущее сообщение со сброшенным битом желаемого приёмника, или у него не закончится таймаут. Если в сети 256 девайсов и длина сообщения со служебными битами, такими как TAG (только 1 байт) и битовое поле, равна 128 байт, то нужно 256*128=32 кБ ОЗУ.

 

Всё это в общих чертах, конечно, но надеюсь, что мысль понятна. Так же понятно, что при таком подходе кол-во ретрансляций, а значит и время бродкаста, будет весьма велико. Но такова плата за упрощённый алгоритм с гарантированной доставкой.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Без ACK не пройдет. Думаю вам нужно заняться и подумать на предмет динамически меняющейся топологии, её контроля и хопов. Как реагировать на выпадение из группы, как входить в группу. Возможно использовать 2-3-4 разные частоты, подумать над гарантированной синхронизацией. Предусмотреть аварийные ситуации по выпадению 1...10 объектов и реакцию динамически меняющейся топологии. И все же я бы ориентировался на ARMs однозначно, где есть запас ресурса, и максимальную скорость обмена между подвижными объектами.

Share this post


Link to post
Share on other sites

ACK не панацея, даже наоборот. Там весьма времязатратный механизм получается, чтобы оба поняли, что пропало - сама посылка или ACK на неё (по TAGу). А в случае постоянно изменяющейся топологии это вообще может не сработать.

Динамическая топология, вход/выпадение из групп - это оч. сложно и затратно, а главное практической пользы не принесёт, т.к. если связи с диспетчерской (через ретрансляторы) нет, то всё остальное бесполезно.

С синхронизацией по времени проблем никаких - там GPS у каждого будет.

Какой процессор использовать - большой разницы нет. ARM лучше тем, что ОЗУ достаточно имеет, а специализированный AVR - радио на борту. Если конечно такую частоту использовать. А вычислительной мощности, для вышеизложенного упрощённого алгоритма, у любого процессора с избытком.

Меня больше интересует будет ли он работать?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Раньше не писали про GPS. Тогда вообще можете делать когерентную сеть, привязвашись синхронизацией к GPS. У каждого свое временное окно.

GPS все упрощает.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Вы очень все усложняете. Делайте как работают броадкасты в нормальных сетях и получите результат близкий к максимально хорошему. Отдельно выделять TAG не нужно, но в жизни так и делают - всем пакетам присваивается последовательный исходящий номер (1 байт). На приеме пакеты идентифицируются по паре (исходящий адрес, счетчик). При приеме броадкаста в спец. таблице (в ZigBee она называется Broadcast Transaction Table, в LwMesh она объединена с обычной таблицей определения дублей) заводится запись для адреса и счетчика. По записи можно узнать пересылали мы этот фрейм или нет и сколько раз. Запись держится фиксированный интервал времени, который должен быть больше, чем время распространения кадра по сети, иначе возможны петли. По той же причине записи не вытесняются новыми, и если при приеме кадра таблица заполнена, то кадр просто игнорируется.

 

Но решение с юникастами тоже возможно, просто механизм поддержки топологии сети нужно запускать не в момент отправки кадра, а постоянно.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Вы очень все усложняете.

Я пытаюсь сделать так, чтобы ACK не потребовался. Т.е. броадкаст гарантировано был бы доставлен ко всем "живым" участникам сети, и при этом автоматически бы выяснилось кто "жив" в данный момент. Накладные расходы - отражённые от границ сети сообщения (от девайсов имеющих связь только с 1 участником сети), но их будет немного и они несут функцию ACK. Забыл написать - битовое поле у всех ретрансляторов постоянно складывается по AND с битовым полем в принятых сообщениях.

ИМХО по затратам это получается лучше, чем 2 броадкаста - туда данные и назад ACK. А разруливание ситуации, когда был потерян ACK и девайс вновь посылает ту же посылку, требует введение ещё одного специального TAGа, кроме уже имеющегося (иначе ретрансляторы её зарубят).

Кроме того, за счёт того же битового поля, передающие автоматически выясняют, что произошла коллизия и были испорчены 2-е или более одновременные передачи. В случае ZigBee это не важно, а если использовать только PHY 433 МГц, например, то может оказаться весьма актуально (насколько я понял, но могу и ошибаться - пока не докурил).

 

Про то, что можно заводить запись на принятое сообщение, а не держать в памяти таблицу макс. возможного размера, понятно, я просто пытался изложить попроще.

Не понятно только почему записи не вытесняются? Я так считаю, что они должны вытеснятся в том случае, если отправитель тот же, а счётчик (исходящий номер) больше (с учётом перехода FF-00). А вот в противоположном случае, если исходящий N меньше, чем в уже имеющегося записи от того же устройства, нужно просто игнорировать это сообщение - маловероятно, что счётчик (исходящий номер) увеличился более чем на 127, а мы за это время не слышали ни одного сообщения от этого девайса.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this