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利用现代开发工具应对网状网络节点的设计挑战

关键词:网状拓扑结构 自组网 物联网

时间:2020-11-25 09:32:46      来源:安森美半导体

物联网的快速扩展催生了对网状网络拓扑结构的需求,其中数十台甚至数百台设备都可以成为同一个本地网络的一部分,从而可以安全快速地共享可操作数据。智能设备中常用的许多本地和个人局域网络协议都支持网状拓扑结构。

作者:安森美半导体物联网营销和战略总监Pavan Mulabagal

物联网的快速扩展催生了对网状网络拓扑结构的需求,其中数十台甚至数百台设备都可以成为同一个本地网络的一部分,从而可以安全快速地共享可操作数据。智能设备中常用的许多本地和个人局域网络协议都支持网状拓扑结构。

网状网络描述了集群中设备之间的连接方式,以创建能够到达网络上每个设备的路径。在某些协议中,调试期间并未设置预定义的路由路径,而是每个设备发送其状态信息,然后由协议决定恰当的数据路由方式。至关重要的是,这意味着两个设备之间的连接不是固定的;它们可能会根据网络状态发生变化。因此添加或删除设备不会导致网络故障;剩余节点仍可以形成另一条路径。网状网络协议的一个关键特性是能够识别新节点。

由于网状网络中形成的连接可随时创建和移除,所以这种拓扑结构也称为自组网。其中的每个节点都可作为路径点和端点;可传播网络流量,接收正在共享的信息,并针对该信息采取行动。因此,网络通常由最终用户就地创建,只需将设备引入无线区域即可。

这给开发人员带来了挑战,他们必须在不清楚设备在网络中如何运行的情况下设计设备,比如与该设备一起运行的其他设备的数量,或该设备在网络中的定位方式。幸运的是,支持网状网络的无线协议了解这些挑战并且能够提供支持。最近,支持网状网络的无线协议清单中又增加了一项蓝牙低功耗技术。

面向蓝牙网状网络的开发套件

是否采用网状网络取决于网络中包含的设备类型、网络大小和所需的弹性。根据实际用例和目标垂直细分市场(工业、医疗、建筑等),物联网中将会使用各种传感器和驱动器。所以,在选择网状网络开发和评估环境时,应该选择一个拥有丰富多样的传感器类型的环境。

虽然底层协议为网状网络提供了框架,但开发人员需要添加应用程序。为此,必须确保开发环境的硬件能够与简单易用且全面的软件开发套件或SDK紧密集成。这样开发环境就不会成为另一个需要克服的设计障碍,而是成为整个流程的一部分,并缩短设计周期。

开发网状网络解决方案时,如果能够根据需要尽可能包含更多的节点将会有所帮助,这样就可以确保实现正确操作,并测试各种功能(包括转发消息)以及模拟网络的稳健性。在评估潜在开发套件时,工程师应评估套件扩展环境的能力以及附加的测试节点。这样设计团队不仅可以模拟大型网络,还能够测试底层技术处理大型网络拓扑结构的能力。

另一个需要考虑的重要方面就是网络部署后的实际配置。选择蓝牙技术作为网状网络协议的一个主要优势就是它几乎是一种通用技术。如今,几乎所有的智能手机和平板电脑都支持蓝牙低功耗连接。支持蓝牙技术的设备能够运行第三方应用程序,因此配置网状网络变得更加简单。

网状网络开发的综合方法

安森美半导体的RSL10 Mesh平台就是一个能够提供所有这些功能的开发环境。它采用RSL10系统级封装 (RSL10 SIP) ,这是业界功耗较低的蓝牙技术解决方案,集成了无线电SoC、天线和实现蓝牙 5认证无线电所需的所有无源组件。这个功能强大但体积小巧的低功耗设备构成了RSL10 Mesh平台的基础(图 1)。利用随附的认证网栈,开发人员就可以使用蓝牙低功耗技术网络规范中定义的各种强制功能和可选功能。

图1:安森美半导体的RSL10 Mesh平台

如图 1所示,开发套件将RSL10 SIP与物联网应用中一些常见类型的传感器和驱动器相集成。主板与Strata Developer Studio™平台兼容,这对于实现完整方案至关重要。图 2为RSL10 Mesh平台的节点框图。

图2:RSL10 Mesh平台蓝牙网状节点框图

Strata Developer Studio是安森美半导体基于云的开发平台。通过该平台可即时轻松访问开发套件的所有相关设计资料,从而为项目的评估和开发阶段提供支持。只需将支持的电路板插入运行该软件的电脑中,Strata Developer Studio就能立即识别该电路板,然后通过访问安森美半导体云资源获取所有设计支持。这样,工程师就可以随时获取所有最新设计数据(图 3)。

图3:通过Strata Developer Studio可即时获取最新的设计资料

利用Strata Developer Studio,还有一些其他功能也让工程师受益,例如:其他开发套件无法提供的交互式模拟环境。通过蓝牙低功耗连接至Strata Gateway的所有RSL10 Mesh节点都将实时显示在屏幕上。因此,工程师可以像在已部署的应用程序中那样与这些节点进行交互。这个“开箱即用”的功能可加快评估和开发流程。图 4显示了通过Strata Developer Studio设计的模拟网状网络,可提高设计效率。

图4:通过Strata设计模拟网状网络

此外,面向智能移动设备的RSL10 Mesh应用程序也可用于Android™和iOS®。这样就可以基于RSL10 SIP轻松发现和配置蓝牙网状节点。利用应用程序,可使用开、关等命令控制节点,也可以设置LED节点的色调、饱和度和亮度。

总结

尽管现代无线协议(如蓝牙)具有网状网络功能,但开发作为网状网络节点运行的设备时仍存在其特有的挑战。网状网络支持一种形成和移除连接的特殊方法,这与其他形式的点对点网络模型不同。蓝牙技术的独特之处在于它支持网状网络,同时还保留其传统的点对点连接功能,这也是蓝牙优于其他技术的原因所在。因此,蓝牙在物联网的所有领域都越来越受欢迎。

现代开发工具可显著降低基于蓝牙低功耗技术的网状网络的开发难度。RSL10 Mesh平台就是一个范例,说明如何将所有元素集成到一个环境中可以提高工程团队的生产力,并缩短制造商的上市时间。

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