Зачем интернету вещей нужна тишина

Что такое интернет вещей и почему тишина ему нужна

Интернетом вещей называют сеть из множества маленьких устройств — датчиков температуры, счётчиков воды, трекеров, умных замков, которые обмениваются данными без постоянного участия человека. В отличие от смартфона, который заряжают каждый вечер, такой датчик часто стоит там, где до него неудобно добираться: под потолком склада, в подвале, на столбе освещения. Владелец рассчитывает включить его один раз и забыть на годы, поэтому экономия энергии здесь становится главным требованием к устройству, а не просто приятным дополнением.

Радиопередача — самая прожорливая операция для маленького чипа

Измерить температуру или посчитать оборот колеса стоит датчику совсем немного энергии — это локальные вычисления на крошечном процессоре. Отправить те же данные по радиоканалу стоит на порядки дороже, потому что радиомодуль должен создать электромагнитную волну достаточной мощности, чтобы её различил приёмник на расстоянии в десятки или сотни метров. Даже простое ожидание входящего сигнала с включённым приёмником съедает батарею почти так же быстро, как сама передача, поэтому производители стараются держать радиомодуль выключенным максимально возможное время и включать его только на короткие вспышки активности.

Общий эфир и что случается при коллизии

Радиочастоты, которыми пользуются бытовые устройства, — общий ресурс, а не личная линия конкретного датчика. В одном и том же нелицензируемом диапазоне одновременно работают Wi-Fi роутер соседа, беспроводная мышь, радионяня и десятки умных лампочек. Если два устройства начнут передавать одновременно на одной частоте, их сигналы наложатся друг на друга, и приёмник не разберёт ни один из них. Это называют коллизией, и чем плотнее эфир, тем выше шанс, что случайное совпадение по времени испортит передачу обоим участникам.

Чтобы снизить риск коллизии, протоколы заставляют устройство сначала прослушать канал и убедиться, что эфир свободен, а уже потом говорить, а при подозрении на столкновение — подождать случайную короткую паузу перед повторной попыткой. Редкие и короткие передачи решают ту же задачу с другой стороны: если устройство выходит в эфир на доли секунды раз в час, вероятность встретить там кого-то ещё в этот же момент резко падает сама по себе.

Протоколы с низким энергопотреблением

Под задачу редких коротких сообщений разработали целое семейство протоколов, которые сознательно жертвуют скоростью ради энергоэффективности. Bluetooth Low Energy подходит для устройств рядом с телефоном, вроде фитнес-браслетов и датчиков давления в шинах. Zigbee и подобные ему протоколы строят локальную сеть из множества датчиков внутри дома или склада, где устройства иногда передают данные друг через друга, экономя мощность передатчика. LoRaWAN и NB-IoT рассчитаны на связь на километры без ретрансляторов ценой ещё более редких и совсем коротких сообщений — иногда счётчик отправляет буквально несколько байт раз в сутки.

• Bluetooth Low Energy — для устройств рядом с телефоном на расстоянии до нескольких десятков метров
• Zigbee — для плотной сети датчиков внутри здания с передачей данных через соседние устройства
• LoRaWAN — для связи на километры при очень редких коротких сообщениях
• NB-IoT — для счётчиков и датчиков через сеть сотового оператора без отдельного шлюза

Режимы сна и дежурный цикл

Большую часть времени датчик интернета вещей проводит в глубоком сне: процессор почти полностью отключён, радиомодуль выключен, работают только часы и минимальная логика пробуждения по таймеру или по внешнему событию. Такой режим называют дежурным циклом — устройство просыпается на короткий момент, делает измерение, при необходимости передаёт результат и снова засыпает на минуты или часы. Разница в энергопотреблении между сном и активной передачей достигает тысяч раз, поэтому даже небольшое увеличение доли времени в глубоком сне заметно продлевает жизнь батарейки.

Пример из жизни — умный счётчик

Счётчик воды или электричества с модулем NB-IoT или LoRaWAN обычно передаёт показание раз в сутки, а иногда и раз в несколько дней. Такой интервал более чем достаточен для расчётов управляющей компании, зато радиомодуль включается буквально на секунды в день вместо постоянной работы. Батарейки внутри подобных счётчиков штатно рассчитаны на пять-десять лет службы без замены — цифра, недостижимая ни для одного устройства, которое держит постоянное соединение по обычному Wi-Fi.