Hur kommunikationsteknik påverkar nätverksdesign i inbyggda system och IoT

I inbyggda system, särskilt de som är en del av Internet of Things (IoT), är valet av kommunikationsteknik avgörande för nätverkets prestanda och funktion. Nätverken kan sträcka sig från små lokala nätverk (LAN) till globala nätverk (GAN) och används för att koppla samman sensorer, enheter och användare. Teknikvalet beror på faktorer som räckvidd, hastighet, energiförbrukning och säkerhetskrav. För att förstå nätverksdesignens komplexitet inom inbyggda system och IoT, måste vi undersöka olika typer av nätverk och deras tillämpningar.

En lokal nätverksinfrastruktur, som ett LAN (Local Area Network), är vanligtvis begränsad till ett litet geografiskt område, som ett kontor, en fabrik eller ett smart hem. Om LAN är anslutet till internet kommer alla noder i nätverket att dela ett gemensamt prefix i sina URL:er. I IPv4-systemet innebär detta att de första tre oktetterna är gemensamma för alla enheter inom nätverket. Ett LAN kan vara antingen trådbundet eller trådlöst, och det används ofta för att koppla samman enheter inom ett byggnadskomplex eller andra små områden där en hög datatakt och låg latens krävs.

Om vi vidgar perspektivet till ett WAN (Wide Area Network), täcker detta ett mycket större geografiskt område, som en stad, ett land eller till och med hela kontinenter. Här delar noderna en gemensam URL-adress, där de första två oktetterna i IPv4-adresserna är identiska för alla enheter. WAN kan använda olika typer av media för att överföra data, som radio, mikrovågor, kablar eller andra former av kommunikation via telefon- och dataföretag.

När vi går till en ännu bredare skala kommer vi till GAN (Global Area Network), där nätverken täcker hela jorden. Inbyggda systemingenjörer kan behöva utforma lösningar som fungerar på flera nivåer, som NFC (Near Field Communication), BAN (Body Area Network), PAN (Personal Area Network), eller NAN (Neighborhood Area Network). Till exempel kan ett patientövervakningssystem vara ett exempel på ett inbyggt system som involverar ett BAN, där olika sensorer på och i kroppen samlar data som skickas till en gateway. Gatewayen, ofta en mobiltelefon, skickar vidare informationen till läkare eller sjukhus.

När vi talar om nätverksteknologier som används i inbyggda system och IoT är NFC (Near-Field Communication) en av de mest använda. NFC gör det möjligt för enheter att kommunicera när de är inom några centimeters avstånd från varandra. En av de vanligaste användningarna av NFC är RFID (Radio Frequency Identification), där passiva eller aktiva taggar används för att identifiera objekt i lagerhantering, föremålsövervakning eller till och med betalningar. RFID-taggning är särskilt användbart för inventariehantering, där ett unikt nummer identifierar varje objekt, vilket gör det möjligt att hålla reda på det i realtid när det passerar en RFID-läsare.

För att bättre förstå designen och implementationen av inbyggda system inom olika typer av nätverk, är det viktigt att beakta olika specifika tekniska krav och användningsområden. När det gäller exempelvis patientövervakning är det nödvändigt att nätverken är mycket pålitliga och säkerställda, eftersom eventuella misslyckanden kan få allvarliga konsekvenser. Därför är frågor som säkerhet, pålitlighet och integritet av största vikt. Nätverken måste också vara energieffektiva, särskilt i kroppsnära nätverk (BAN) där enheter ofta drivs med batterier och måste vara extremt strömsnåla.

I synnerhet inom BAN (Body Area Networks), som är direkt kopplade till människokroppen, krävs nätverk som är designade för att minimera energiåtgången och samtidigt säkerställa hög precision i sensoravläsningar. Eftersom enheterna ofta är små och bärbara, och eftersom det är mycket viktigt att de inte påverkas negativt av kroppens biologiska material, används mycket lågeffektiva trådlösa kommunikationsprotokoll. Att säkerställa att signaler inte försämras av kroppens vävnader är en stor teknisk utmaning, och det är här den innovativa användningen av specialiserade frekvenser och lågströmskommunikation kommer in.

En annan viktig aspekt som måste beaktas är nätverkets förmåga att förutse och hantera strömförsörjningsproblem. Många enheter i BAN och andra inbyggda system är batteridrivna, och om enhetens batterinivå är låg kan systemet förlora viktiga data eller till och med sluta fungera. Därför är det avgörande att nätverket kan förutspå strömbrist och på ett korrekt sätt hantera kommunikationssystemen så att detta inte leder till felaktiga mätningar eller, i värsta fall, livshotande situationer.

Hur man hanterar signalöverföring i inbyggda system: Trådbundna och trådlösa nätverk

Det finns ingen impedansmismatch vid punkten där motstånden ansluter till ledningen. Detta håller ledningen vid en spänning mellan jord och strömförsörjning och gör det något enklare för enheter som är anslutna till ledningen att driva pulser. Strömmen flödar dock alltid genom ett av motstånden, eller båda. Denna form av terminering används ofta för ledningar som ansluter flera enheter, såsom IIC eller CAN seriella linjer. I figur 21.10d visas den vanliga termineringstekniken för differentialdrift. Många differentialmottagare har dock det terminerande motståndet inbyggt i kretsen, vilket eliminerar behovet av ett externt motstånd.

Den så kallade fail-safe termineringen, som visas i figur 21.10e, används för långa kablar i miljöer som är särskilt utsatta för elektriska störningar, såsom nära tunga magneter som slås av och på, eller i områden där blixtnedslag kan inträffa. Dioderna förhindrar att spänningar som är lägre än jord eller högre än strömförsörjningens spänning sprids på linjen. Differentialdrift är en teknik som används för att sända signaler över långa avstånd. Denna teknik använder två ledningar per signal. En ledning bär själva signalen, och den andra bär signalen inverterad. Mottagaränden jämför de två spänningarna och ger en logisk 1 om den positiva linjen har högre spänning än den inverterade linjen, och logisk 0 annars. Denna process att jämföra spänningarna ger ett mycket rent signalutgång från spänningskomparatorn.

Det är vanligt att använda matchade chipset, som exempelvis 26LS31/32-paret, för både sändar- och mottagaränden. USB använder också differentialdrift. Det är vanligt att använda tvinnade parkablar för differentialdrift. Den positiva och inverterade signalledningen är vriden runt varandra förutom där de ansluter till sändar- och mottagarkretsarna. Denna vridning gör att eventuell extern elektrisk störning påverkar både den positiva och inverterade signalen på samma sätt, vilket gör att spänningsdifferensen förblir densamma. Detta gör differentialdrift över tvinnad kabel mycket immun mot externa störningar.

För allmän trådlös kommunikation används radiotransmittorer och mottagare. Radiovågor kräver inte siktlinje för att färdas. De kan passera hinder mellan sändare och mottagare, men det sker till en viss signalförlust. Det finns idag flera specifika protokoll för trådlös datanätverk – Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, 6LoWPAN, etc. Avstånd och förekomsten av hinder är de största problemen att ta hänsyn till. De lågeffektprotokollen för datanätverk har begränsad räckvidd, typiskt mellan 10 och 20 meter för inomhuskommunikation genom väggar och upp till 1000 meter eller mer för utomhuskommunikation utan hinder. Standardkretsar inkluderar all nödvändig radiofunktionalitet och ofta även en antenn. Radiovågor är känsliga för magnetisk interferens. Signaler kan också försämras av reflektioner från närliggande ytor, såsom byggnader och inre väggar, vilket leder till att signalen tas emot från flera vägar med olika faser. Ett annat problem är det så kallade gömda nod-problemet, där en mottagande nod B är mellan två sändande noder, A och C. Om både A och C sänder på samma frekvens, kommer signalerna som tas emot av B att interferera med varandra.

I många inbyggda system kan dessa problem inte enkelt lösas genom att öka effekten eller använda riktade antenner. Till exempel, i ett inbyggt system för att övervaka djurens migration i naturen, kommer noderna att vara batteridrivna, och att öka effekten skulle minska nodernas livslängd. Djurens rörelse kan också orsaka gömda nodproblem på ett oförutsägbart sätt, vilket gör att användning av riktade antenner inte är praktiskt, eftersom djuren inte alltid kommer att vara i rätt riktning.

Endtext

Hur fungerar IP-paket i ett inbäddat system för Internetkommunikation?

IP-paket är en grundläggande del av nätverkskommunikation, och att förstå deras struktur och funktion är avgörande för att designa effektiva kommunikationslösningar i inbäddade system. Ett typiskt IP-paket består av flera fält, där varje fält fyller en specifik roll för att säkerställa korrekt adressering och överföring av data. Dessa fält kan innefatta bland annat paketets totala längd, identifiering, flaggor, fragmentoffset, och Time to Live (TTL).

En annan viktig del är protokollfältet, som identifierar vilken transportlagers protokoll (som TCP eller UDP) som används för att skicka data. Detta gör det möjligt för mottagande system att veta hur data ska hanteras när det tas emot. I enhetliga nätverk som LAN, där Ethernet ofta används, ser vi att dessa IP-paket transporteras på olika fysiska medier, som kablar eller trådlösa nätverk, beroende på infrastrukturen.

En intressant aspekt av designen i inbäddade system är hur nätverkskommunikation implementeras på mikrokontrollerenheter. Ta till exempel ett system för patientövervakning där en mikrokontroller agerar som gateway till Internet. I detta scenario används IPv4 för att adressera och TCP som transportprotokoll. Systemet består av flera parallella moduler, var och en ansvarig för olika funktioner såsom regelbundna hälsorapporter, medicinering och nödsignaler. För varje funktion tilldelas en specifik portnummer, vilket gör det möjligt att skicka meddelanden till rätt mottagare, vare sig det är en läkare, ett apotek eller en nödtjänst.

En annan aspekt som är viktig är hur enhetskommunikationen kan göras effektiv på mikronivå, särskilt när det gäller hanteringen av TCP/IP-protokoll utan ett operativsystem. I ett sådant system kan hela TCP/IP-stacken implementeras i en enda modul på mikrokontrollern, där den hanterar både sessions-, presentations- och applikationslager samtidigt. Den information som skickas från systemet på mikrokontrollern måste alltså skickas som ett paket där det både kapslas in och eventuellt krypteras för att säkerställa både säkerhet och integritet vid överföring.

Vad man också måste förstå är hur nätverksprotokoll som TCP och IP fungerar på lägre nivåer i OSI-modellen. För varje nätverksnivå från fysiskt till applikationslager, finns det specifika funktioner och tjänster som ansvarar för datatrafikens tillförlitlighet och korrekthet. I en produktiv kommunikationslösning kan det vara avgörande att förstå vilka delar av denna stack som kan hanteras av hårdvaran och vilka som måste implementeras i programvaran, beroende på den specifika designen av den inbäddade lösningen.

Hur kan realtidsoperativsystem och nätverkskommunikation förbättra inbyggda system och deras effektivitet?

Inbyggda system spelar en avgörande roll i dagens teknologiska landskap, där små och specialiserade enheter utför komplexa uppgifter i realtid. En aspekt som är särskilt viktig för dessa system är deras förmåga att hantera kommunikation mellan olika enheter, både i trådbundna och trådlösa nätverk. I denna kontext är både realtidsoperativsystem (RTOS) och nätverkskommunikationsprotokoll centrala för att säkerställa att systemet fungerar på ett tillförlitligt och effektivt sätt.

Real-time operativsystem (RTOS) är designade för att möta specifika tidskrav som är avgörande för inbyggda system, där uppgifter måste utföras inom mycket strikta tidsramar. Till skillnad från vanliga operativsystem som är utformade för att hantera mångsidiga användarapplikationer, fokuserar RTOS på att säkerställa förutsägbara och konsekventa svar på externa händelser. En sådan förutsägbarhet är viktig när systemet ska reagera på externa stimuli eller driva aktorer som motorer eller sensorer inom fastställda tidsramar.

Den största utmaningen med realtidskommunikation i inbyggda system är att dessa system ofta är distribuera i nätverk som kan vara trådlösa eller trådbundna, vilket innebär att information måste överföras effektivt och med låg latens. Trådlösa sensornätverk (WSN) är ett exempel på ett sådant system, där små enheter kommunicerar trådlöst för att samla och vidarebefordra information i realtid. WSN har en rad fördelar, såsom flexibilitet och låg installationskostnad, men de innebär också specifika utmaningar som hög strömförbrukning, signalinterferens och behovet av robusta kommunikationsprotokoll som hanterar paketförlust och duplicering av data.

I sammanhanget av inbyggda system är en annan kritisk aspekt att förstå hur olika typer av nätverksarkitekturer påverkar systemets prestanda. Nätverksarkitekturer som mesh-nätverk eller stjärnnätverk har olika fördelar beroende på det specifika användningsområdet. Mesh-nätverk erbjuder hög redundans och kan hantera stora mängder data, men kan också leda till komplexitet i signalhantering och routing. Stjärnnätverk, å andra sidan, är enklare att implementera men är mer känsliga för fel i centralenheten. Det är därför viktigt att designa systemet med rätt nätverksarkitektur för att uppnå både effektivitet och pålitlighet.

När det gäller RTOS och nätverksprotokoll finns också behovet av att implementera effektiva schemaläggningsalgoritmer. Metoder som Rate Monotonic Scheduling (RMS) är vanliga inom realtidsoperativsystem och tillåter systemet att prioritera uppgifter baserat på deras perioder. Detta säkerställer att mer tidskänsliga uppgifter alltid får högsta prioritet, vilket är avgörande för att bibehålla systemets stabilitet och funktionalitet. Vidare kan tekniker som Time Division Multiple Access (TDMA) användas för att hantera hur flera enheter delar på samma kommunikationskanal, vilket minskar risken för dataöverbelastning och förlust.

Ett annat område som kan påverka systemets effektivitet är hantering av systemresurser, såsom minne och processorkraft. Inbyggda system kräver ofta optimeringar för att hantera dessa resurser effektivt. Användningen av "non-volatile memory" är exempelvis vanligt för att bevara data även när systemet stängs av. Dessutom spelar hantering av strömförbrukning och energihantering en avgörande roll i långsiktig drift, särskilt i trådlösa sensornätverk där enheter ofta är beroende av batterier.

Sammanfattningsvis är det viktigt att förstå den komplexitet som ligger i design och implementering av inbyggda system. Både operativsystemets realtidsfunktioner och nätverkskommunikationsprotokoll måste designas med hänsyn till systemets krav på tid, pålitlighet och säkerhet. Effektiv resursanvändning, noggrant val av nätverksarkitektur och en genomtänkt strategi för säkerhet och robusthet är avgörande för att uppnå ett framgångsrikt resultat.