ربط إنترنت الأشياء IoT مع بروتوكول IEEE 802.15.4 / 6LoWPAN

كتبت بواسطة Ahmad Ali | بتاريخ السبت 12 أيلول 2020

 

يعتمد إنترنت الأشياء في القطاع الصناعي على شبكات تحكم / أجهزة استشعار / تحكم موزعة على نطاق واسع يمكن تشغيلها دون مراقبة لأشهر بل سنوات باستهلاك منخفض جدًا للطاقة.

 يستلزم السلوك المميز لهذا النوع من الشبكات دفعات قصيرة جدًا من حركة الرسائل عبر مسافات قصيرة باستخدام التقنيات اللاسلكية ، والتي غالبًا ما توصف بأنها شبكة لاسلكية شخصية منخفضة السرعة (LR-WPAN).

 نبقي إطارات البيانات قصيرة لتقليل احتمالية التداخل اللاسلكي الذي يجبر الحاجة إلى إعادة الإرسال. يستخدم أحد أساليب LR-WPAN معيار IEEE 802.15.4. يصف هذا الطبقة المادية والتحكم في الوصول إلى الوسائط التي تُستخدم غالبًا في تطبيقات التحكم الصناعي والأتمتة التي يشار إليها باسم التحكم الإشرافي واكتساب البيانات (SCADA).

في إنترنت الأشياء ، تقوم أجهزة "Edges" المحلية ، وهي أجهزة استشعار عادةً ، بجمع البيانات وإرسالها إلى مركز البيانات - "السحابة" - للمعالجة. 

يتطلب إحضار البيانات إلى السحابة الاتصال باستخدام مكدس بروتوكول IP القياسي. يمكن القيام بذلك عن طريق توصيل الأجهزة المتطورة مباشرةً عبر الإنترنت بمراكز البيانات - "نموذج السحابة". أو يمكننا التواصل من الأجهزة الطرفية إلى نقطة تجميع تُعرف باسم بوابة الحدود لنقل البيانات من هناك إلى مركز البيانات - "نموذج الضباب".

سنتحدث في هذه المقالة عن خصائص شبكات IEEE 802.15.4 ، وتحديداً IPv6 لفريق عمل هندسة الإنترنت (IETF) عبر تنفيذ الشبكات الشخصية اللاسلكية منخفضة الطاقة (6LoWPAN). يدعم هذا التطبيق كلا من نماذج السحابة والضباب.

طبقة IEEE 802.15.4 PHY

تم تقسيم عائلة معايير IEEE 802 إلى عدد من مجموعات المهام بما في ذلك 802.3 (Ethernet) و 802.11 (Wi-Fi) ، وكذلك 802.15 (Wireless PAN). على وجه الخصوص ، تقع مسؤولية IEEE 802.15.4 (15.4 للإيجاز) على مجموعة المهام 4 ، المسؤولة عن الخصائص المختلفة للبروتوكول بما في ذلك طيف التردد اللاسلكي والطبقات المادية. تم توسيع المعيار 15.4 ليشمل PHYs لتحديد الترددات اللاسلكية (RFID) ، PHYs ذات النطاق العريض (UWB) ، كما تتم مناقشته كحل ممكن لكل من الاتصالات من سيارة إلى سيارة ومن سيارة إلى مركز اتصال.

802.15.4 يعالج فقط الطبقات المادية (PHY) والتحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC) - في نموذج شبكة OSI ، الطبقتان الأولى والثانية. يترك الطبقات العليا للمنفذ. في الطبقة الثالثة وما فوق يوجد عدد كبير من التطبيقات المهمة  بما في ذلك Zigbee و Z-Wave و Thread و 6LoWPAN. كل من هذه التطبيقات تنفذ ما تبقى من نموذج بروتوكول OSI لتقديم خدمات مثل التوجيه والاكتشاف وكذلك واجهات برمجة تطبيقات المستخدم.

الشكل ١ تنسيق الإطار 15.4 


 

بشكل عام ، يدعم 15.4 معدلات نقل البيانات بمعدل 20 كيلوبت / ثانية و 40 كيلوبت / ثانية و 100 كيلوبت / ثانية (قريبًا) و 250 كيلوبت / ثانية. يفترض الإطار الأساسي مدى 10 أمتار عند 250 كيلوبت / ثانية. يمكن تحقيق معدلات بيانات أقل لزيادة الحد من استهلاك الطاقة. على الرغم من مواصفات النطاق البالغ 10 أمتار (32 قدمًا) ، في نطاق 2.4 جيجا هرتز ISM ، فإن النطاقات النموذجية التي يمكن تحقيقها لأجهزة الراديو IEEE 802.15.4 هي في حدود 100 متر في الداخل ، و 200 - 300 متر في الهواء الطلق. في ترددات GHz الفرعية ، تم عرض التطبيقات العملية للبروتوكول في نطاقات تزيد عن 6.5 كيلومتر (4 أميال) مع هوائيات مناسبة في نطاق 900 ميجا هرتز ISM.

في الطبقة المادية ، يدير IEEE 802.15.4 جهاز الإرسال والاستقبال RF واختيار القناة ، فضلاً عن مرافق إدارة الطاقة والإشارات. هناك ستة PHYs محددة حاليًا ، اعتمادًا على مدى التردد وأداء البيانات المطلوب. أربعة منهم يستخدمون تقنيات القفز الترددي المتسلسل المباشر (DSSS). يتم استخدام طيف انتشار Chirp (CSS) في نطاقات التردد Ultra-Wide Band (UWB) و 2450 MHz. طيف انتشار التسلسل المتوازي (PSSS) متاح فقط مع تقنية تعديل مفتاح إزاحة السعة الهجينة الموجودة في النطاق الأوروبي 868 ميجاهرتز.

حجم الإطار 15.4 هو 133 بايت بما في ذلك PHY و MAC وحمولة البيانات. يمكن رؤية تنسيق هذا الإطار في الشكل 1. بالحفاظ على الإطار قصيرًا نسبيًا ، يمكننا تحديد مقدار الوقت اللازم لإرساله مع الحد في نفس الوقت من احتمال التداخل اللاسلكي بسبب التشغيل العادي للمعدات الصناعية.

 

طبقة IEEE 802.15.4 MAC


طبقة IEEE 802.15.4 MAC (الطبقة الثانية من طراز OSI - طبقة ارتباط البيانات) مسؤولة عن:

  • الانضمام والخروج من PAN 
  • وصول متعدد مع خاصية تجنب الاصطدام (CSMA-CA) للوصول إلى القناة 
  • ضمان إرسالات ضمن فتحات زمنية محددة  (GTS) 
  • إنشاء رابط موثوق بين كيانين من كيانات MAC المقترنين. 
  • إشارات التزامن

بالإضافة إلى ذلك ، تدعم طبقة MAC استخدام التشفير المتماثل باستخدام خوارزمية التشفير AES-128. هناك أيضًا خيارات للتجزئة المستندة إلى SHA وقوائم التحكم في الوصول للحد من نقل المعلومات الحساسة إلى عقد أو روابط محددة.

 أخيرًا ، يحسب MAC اختبار العمر (الحداثة) بين استقبالات الإطار للمساعدة في تقليل احتمالية الإطارات القديمة التي ربما كانت تنتقل عبر مسار دائري من أن يتم تسليمها متأخرًا إلى بروتوكولات الطبقة العليا.

 

 

تنفيذ 6LOWPAN لإنترنت الأشياء

هناك العديد من التطبيقات الحالية لـ 6LoWPAN. الأول هو GHz 6LoWPAN الفرعي لبنية القياس المتقدمة (AMI) المطبقة حاليًا في عدادات الطاقة للاستخدام السكني. 

توفر هذه العدادات المرافق وسيلة للقراءة والتحكم في استخدام الطاقة عبر الشبكة الكهربائية.

 وهي تعتمد على وسيلة توجيه ذات شبكة ضائعة لضمان تسليم قياسات العدادات بغض النظر عن التأثيرات المتعددة المسارات أو الغلاف الجوي مثل المطر أو الثلج.

 يبلغ التنفيذ النموذجي  في  6LoWPAN  حوالي 30 كيلو بايت ويتم تنفيذه مباشرةً في أجهزة الراديو من شركات مثل Texas Instruments و Silicon Labs وغيرها. يوفر هذا النهج واجهة على غرار UART بين وحدة التحكم الدقيقة في المستشعر والراديو ، وبالتالي تفريغ البروتوكول الإضافي إلى وحدة الراديو.

بدلاً من ذلك ، تقوم العديد من أنظمة التشغيل مثل Linux بالفعل بتطبيق 6LoWPAN على عدد من منصات الراديو.

 يوفر هذا استخدام بوابات الحدود المستندة إلى Linux لتوفير الأمان للأجهزة الطرفية باستخدام نموذج الضباب عبر النواة الصلبة وجدران الحماية من الجيل التالي والمزيد. يمكن أيضًا استخدام بوابة الحدود لتوفير تصفية البيانات وضغطها لتقليل تكاليف الاتصال الإجمالية.

موجه حدود في جهاز راسبيري باي قائم على وحدة 6LoWPAN 

 

نظرًا لأن 6LoWPAN متوافق مع بروتوكولات الإنترنت العادية ، فإن المطور يتمتع بحرية الاستفادة من بروتوكولات المستوى الأعلى مثل MQTT و CoAP و HTTP للاتصالات من تطبيق إلى تطبيق. يمكن لجهاز توجيه الحدود الذي يتعامل مع 6LoWPAN على الجانب الجنوبي و IPv4 أو IPv6 القياسي على الجانب الشمالي أن يوفر بسهولة ترجمة تلقائية لعنوان الشبكة (NAT) من تنسيق حزمة 6LoWPAN الداخلي إلى IPv6 القياسي أو عبر NAT64 إلى IPv4 القياسي. هذا يجعل عنونة جهاز الحافة شفافة تمامًا للسحابة والمطور. يظهر في الشكل ٢ موجه حدود قائم على Raspberry Pi مع وحدة 6LoWPAN.

 

خلاصة

إن إنترنت الأشياء يعتمد بشكل أساسي على الاتصال ويوفر معيار IEEE 802.15.4 وسيلة مثالية لتطبيقه  من خلال تأمين تشغيل منخفض الطاقة . يوفر استخدام 6LoWPAN أعلى IEEE 802.15.4 اتصالاً آمنًا وشفافًا بالسحابة ويقلل بشكل كبير العبء على المطورين ومصممي النظام من خلال توفير بروتوكولات قياسية متوافقة مع IP ومكتبات متاحة بسهولة.