В наше время беспроводные компьютерные сети стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Они позволяют нам оставаться подключенными к Интернету и обмениваться данными, будь то в офисе, дома, в общественных местах и на промышленных предприятиях. Однако разнообразие стандартов беспроводных сетей может быть запутывающим для тех, кто только начинает разбираться в этой области.
В данной статье мы погрузимся в мир стандартов беспроводных компьютерных сетей, рассмотрим различные технологии, которые лежат в их основе, и узнаем, какие преимущества и ограничения сопутствуют каждому стандарту. Мы также рассмотрим их практическое применение, от домашних беспроводных сетей Wi-Fi до промышленных сетей мобильной связи нового поколения.
Наиболее распространенные стандарты беспроводных сетей
Стандарты беспроводных сетей - это наборы технических спецификаций и правил, которые определяют, как устройства должны взаимодействовать в радиоволновой среде для обеспечения беспроводной связи.
Эти стандарты определяют как физический, так и логический уровни связи, что включает в себя методы модуляции, спектральное распределение сигнала, протоколы управления доступом к среде, а также форматы данных и протоколы для передачи информации.
Стандарты беспроводных сетей служат основой для различных беспроводных технологий и применяются в разных сферах, включая беспроводные локальные сети (Wi-Fi), мобильную связь (3G, 4G, 5G), беспроводные сенсорные сети, беспилотные авиационные системы (дроны) и многие другие области.
Эти стандарты разрабатываются различными стандартизационными организациями, такими как IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике), 3GPP (3rd Generation Partnership Project), Bluetooth SIG (Special Interest Group), и другими.
Стандарты беспроводных сетей обеспечивают совместимость и интероперабельность между различными устройствами и сетями, позволяя им успешно взаимодействовать и обмениваться данными.
Давайте рассмотрим некоторые из наиболее распространенных стандартов беспроводных сетей и их значение.
- Wi-Fi (802.11). Этот стандарт является основой для беспроводной связи в домах, офисах, общественных местах и даже на улицах. Стандарт 802.11 предлагает различные версии, такие как 802.11n, 802.11ac и 802.11ax, которые предоставляют разные скорости передачи данных и характеристики. Wi-Fi позволяет мобильным устройствам подключаться к Интернету и локальным сетям с высокой скоростью и без необходимости использования проводов.
- Bluetooth. Стандарт Bluetooth предназначен для ближней беспроводной связи между устройствами. Это позволяет смартфонам и другим устройствам обмениваться данными, управлять аксессуарами, такими как наушники или гарнитура, и даже управлять умными домашними устройствами. Bluetooth также используется для передачи аудио-сигнала на беспроводные наушники и гарнитуры.
- 3G, 4G, 5G. Эти стандарты относятся к мобильной связи и предназначены для передачи данных по мобильным сетям. 3G (третье поколение) был первым, кто предложил высокоскоростной доступ к Интернету с мобильных устройств. 4G (четвертое поколение) значительно увеличило скорость передачи данных, что позволило потоковое воспроизведение видео и другие приложения высокой пропускной способности. 5G (пятое поколение) обещает еще более высокую скорость и низкую задержку, что сделает возможным впечатляющие новые приложения, такие как расширенная реальность (AR) и многие другие.
- NFC (Near Field Communication). NFC - это стандарт для ближней беспроводной связи, который позволяет устройствам обмениваться данными на краткое расстояние, обычно менее 4 см. Этот стандарт активно используется для бесконтактных платежей, передачи данных между устройствами и других задач, где важна близкая связь.
Стандарты беспроводных сетей играют ключевую роль в обеспечении совместимости и надежности беспроводной связи между мобильными устройствами и сетями.
7 уровней сетевой модели OSI: OSI-модель и сетевые протоколы
Использование стандартов беспроводных сетей в мобильных устройствах
Давайте рассмотрим пример использования различных стандартов беспроводных сетей в современных мобильных устройствах.
Сценарий 1. Подключение к Wi-Fi дома
Представьте, что у вас есть смартфон, и вы хотите подключиться к Интернету в домашней сети. В данном случае, ваш смартфон использует стандарт Wi-Fi (например, 802.11ac), чтобы установить беспроводное соединение с вашим Wi-Fi маршрутизатором. Это обеспечивает высокую скорость передачи данных и стабильное подключение для просмотра видео, чтения электронной почты и многих других задач.
Сценарий 2. Передача файлов через Bluetooth
Вы хотите отправить фотографию с вашего смартфона на смартфон вашего друга. Для этой ближней связи смартфоны используют стандарт Bluetooth. Вы активируете Bluetooth на обоих устройствах, после чего сможете быстро и удобно передать файл с одного смартфона на другой.
Сценарий 3. Использование мобильного интернета
Когда вы находитесь вне дома или офиса, и Wi-Fi недоступен, ваш смартфон может подключиться к мобильной сети. Здесь используются стандарты мобильной связи, такие как 4G LTE или даже 5G. Они обеспечивают быстрый доступ к Интернету, что позволяет вам использовать приложения, просматривать веб-сайты и потоковое воспроизведение контента в движении.
Сценарий 4. Бесконтактные платежи
Представьте, что вы хотите оплатить покупки в магазине, используя свой смартфон. В этом случае, смартфон может использовать технологию NFC для бесконтактных платежей. Вы прикладываете смартфон к устройству считывания NFC на кассе, и платеж осуществляется быстро и удобно.
Стандарты беспроводных сетей в промышленных устройствах
В промышленных электронных устройствах также часто используют различные стандарты беспроводных сетей в зависимости от конкретных потребностей и требований.
Вот несколько примеров таких стандартов.
- Wi-Fi (802.11). Стандарт Wi-Fi, такой как 802.11b/g/n/ac/ax, широко используется в промышленности для беспроводного подключения к сети и обмена данными между устройствами. Это может быть применено в складских системах, системах мониторинга и управления, а также в системах управления зданиями.
- Bluetooth. Bluetooth предоставляет беспроводное соединение для коротких дистанций и используется, например, для связи между мобильными устройствами и промышленными сенсорами, этикетками и устройствами сбора данных.
- Zigbee. Это протокол для беспроводных сетей, который часто используется в системах умных домов и промышленных системах автоматизации и контроля. Он может обеспечивать надежную и низкую потребляемую мощность сеть на больших площадях.
- LoRaWAN. Этот протокол предназначен для долгосрочных и дальних беспроводных сетей. Он используется в системах мониторинга и сбора данных на открытом воздухе, таких как системы учета воды или мониторинг окружающей среды.
- Cellular (сотовая связь, 4G/5G). В некоторых случаях, особенно когда требуется широкополосное соединение на больших расстояниях, используют сотовые сети 4G и 5G. Это может быть полезно для мониторинга удаленных объектов и передачи больших объемов данных. Cellular также может включать в себя сети CDMA, GSM и другие стандарты, которые разные операторы мобильной связи используют для обеспечения связи и передачи данных.
- WirelessHART. Этот стандарт представляет собой беспроводную версию протокола HART (Highway Addressable Remote Transducer), который широко используется для мониторинга и управления в промышленных средах. Он обеспечивает надежное и гарантированное время передачи данных в сетях с низкой потребляемой мощностью.
Мониторинг и управление системами освещения в промышленных зданиях с помощью Zigbee
В промышленных зданиях часто требуется мониторинг и управление системами освещения для оптимизации потребления электроэнергии и обеспечения безопасности.
Zigbee - это беспроводный стандарт для низкомощных, беспроводных сетей, который используется в различных областях, включая умные дома, промышленные автоматизированные системы и медицинские устройства.
Он основан на протоколе IEEE 802.15.4 и предназначен для связи между небольшими, энергоэффективными устройствами, которые могут работать долгое время от батареек или других источников питания.
Устройства, поддерживающие Zigbee, могут создавать собственные сети, известные как "сети Zigbee". Одно из устройств может выступать в роли координатора сети, а другие устройства могут быть подключены к этой сети. Каждое устройство в сети имеет свой уникальный 64-битный идентификатор.
Устройства в сети Zigbee могут обмениваться данными в формате "кадров", которые содержат информацию о передаваемых данных, идентификатор устройства-отправителя и адрес устройства-получателя. Это позволяет устройствам общаться и передавать команды друг другу.
В сетях Zigbee используется маршрутизация данных, что означает, что устройства могут передавать данные через промежуточные устройства, чтобы достичь удаленных устройств. Это особенно полезно в больших сетях или сетях с устройствами, находящимися вдали друг от друга.
В нашем примере стандарт беспроводной связи Zigbee используется в данном случае для создания сети, которая объединяет все светильники и датчики в единую систему управления:
- Сеть Zigbee. Все светильники и датчики оснащаются модулями Zigbee, которые образуют беспроводную магистральную сеть. Эти модули позволяют светильникам передавать информацию о своем статусе и потреблении энергии в центральную систему управления.
- Датчики движения и освещенности. Датчики движения и освещенности включены в систему. Они могут определять присутствие людей и изменения уровня освещенности в помещении.
- Умное управление освещением. Система управления на основе Zigbee может реагировать на данные от датчиков и регулировать уровень освещенности в соответствии с окружающими условиями. Например, она может автоматически выключать свет в пустых помещениях и увеличивать яркость в зависимости от времени суток.
- Мониторинг и анализ данных. Центральная система может собирать данные о потреблении энергии, состоянии светильников и эффективности освещения. Эти данные могут быть использованы для оптимизации расходов на электроэнергию и планирования технического обслуживания.
Этот пример показывает, как стандарт Zigbee и беспроводная сеть могут быть применены для создания интеллектуальной системы управления освещением в промышленных и в административных зданиях, что приводит к эффективному использованию энергии и снижению операционных расходов.
Применение стандаротов беспроводных сетей в промышленной автоматизации
Предположим, у нас есть промышленное оборудование, такое как пресс, который используется для формовки деталей из металла. В данном случае, беспроводные сети могут быть использованы для управления пневматической системой внутри пресса:
- Bluetooth. Для управления пневматической системой и мониторинга состояния пресса можно использовать беспроводные модули Bluetooth. Операторы и инженеры могут подключаться к прессу через смартфоны или планшеты, оснащенные Bluetooth, и регулировать давление и скорость пневматической системы.
- Wi-Fi. Для централизованного управления несколькими прессами и мониторинга данных с разных точек в заводе можно использовать беспроводные точки доступа Wi-Fi. Это обеспечит стабильное и высокоскоростное соединение для управления и мониторинга.
- IoT (Internet of Things). В рамках концепции Интернета вещей, пневматические системы могут быть оборудованы датчиками для сбора данных о производительности и состоянии оборудования. Эти данные могут передаваться по беспроводной сети на сервер, где они анализируются для улучшения производственных процессов.
Интернет вещей (IoT) - это концепция, в рамках которой физические объекты и устройства, оборудованные датчиками, актуаторами и возможностью подключения к Интернету, способны обмениваться данными и взаимодействовать друг с другом без участия человека.
Эти объекты и устройства могут собирать информацию, анализировать её и принимать решения, что делает IoT полезным в различных сферах, включая умный дом, здравоохранение, промышленность, сельское хозяйство и многое другое.
Интернет вещей создает сеть из миллиардов взаимосвязанных устройств, что предоставляет новые возможности для автоматизации, мониторинга и улучшения эффективности в различных областях.
Давайте рассмотрим еще один вариант использования стандартов беспроводных сетей в промышленных электронных устройствах на примере Endress+Hauser Proline 300/500, который является массовым расходомером для измерения потока жидкостей в промышленных процессах.
В данном случае применяются следующие беспрводные сети:
- Wi-Fi. Устройство может поддерживать Wi-Fi для беспроводного удаленного мониторинга и управления. Это позволяет инженерам и операторам мониторить данные и настраивать прибор, не подключаясь физически.
- Bluetooth. Возможно использование Bluetooth для локального программирования и настройки устройства. Операторы могут настроить параметры и получать данные с помощью смартфона или планшета, поддерживающих Bluetooth.
- WirelessHART. Для надежного сбора данных и связи в промышленных средах устройство может использовать стандарт WirelessHART.
- Cellular. В некоторых случаях, когда устройство находится в удаленных местах без доступа к локальным сетям, оно может быть оборудовано сотовым модемом для передачи данных через сотовую сеть, такую как 4G или 5G.
Рассмотрим пример использования стандартов беспроводных сетей в другом промышленном устройстве: Siemens SIMATIC S7-1500, который является промышленным программируемым логическим контроллером для автоматизации производственных процессов.
- Ethernet/IP. SIMATIC S7-1500 поддерживает стандарт Ethernet/IP для подключения к сети промышленной автоматизации. Это позволяет интегрировать контроллер в систему управления производственным процессом и обмениваться данными с другими устройствами на заводе.
- Profinet. Контроллер также поддерживает стандарт Profinet, который является ещё одним промышленным Ethernet-протоколом. Profinet широко используется в автоматизации производства для передачи данных и управления промышленными устройствами.
- Wi-Fi (опционально). Для некоторых применений, где проводное подключение нецелесообразно, контроллер может быть дополнительно оснащен модулем Wi-Fi. Это позволяет устанавливать беспроводное соединение для мониторинга и программирования контроллера.
- Сервер OPC UA. Siemens SIMATIC S7-1500 также может выступать в качестве сервера OPC UA, что обеспечивает стандартизированный интерфейс для обмена данными с другими системами в предприятии, такими как системы управления верхнего уровня (SCADA) или системы предприятия (ERP).
Profinet (Process Field Network) - это протокол промышленной автоматизации, который обычно используется в промышленных системах и автоматизированных производственных средах. Profinet предназначен для обмена данными и управления промышленными устройствами, такими как контроллеры, датчики и приводы, в промышленной среде.
Протокол Profinet работает поверх сетевых технологий, таких как Ethernet, что делает его совместимым с мобильными сетями, включая беспроводные сети.
Многие мобильные устройства, такие как автоматизированные мобильные роботы и машины, могут быть оснащены сетевыми интерфейсами, поддерживающими Ethernet. Profinet может быть настроен для работы поверх Ethernet-сетей, что позволяет мобильным устройствам обмениваться данными с другими устройствами в промышленной сети.
В мобильных приложениях, где проводные соединения могут быть неудобными или невозможными, можно использовать промышленные беспроводные сети. Это могут быть Wi-Fi-сети, Zigbee или другие беспроводные технологии, которые поддерживают Profinet.
Устройства с беспроводными модулями могут обмениваться данными с другими устройствами в сети с использованием Profinet через беспроводные соединения.
В случае, если мобильные устройства не имеют непосредственной поддержки Profinet, могут быть использованы специальные шлюзы и маршрутизаторы, которые преобразуют данные в формат, совместимый с Profinet. Эти устройства могут обеспечивать связь между мобильными устройствами и сетью Profinet.
Это всего лишь несколько примеров стандартов беспроводных компьютерных сетей, которые могут использоваться в промышленных электронных устройствах. Они иллюстрируют, как различные беспроводные сети могут использоваться в одном промышленном устройстве для обеспечения связи, мониторинга и управления. Это позволяет повысить надежность и удобство использования такого оборудования в промышленных технологических процессах.
Выбор стандарта зависит от конкретных требований к дальности связи, скорости передачи данных, надежности и потребляемой мощности.
Смотрите также по этой теме: Какие существуют типы сетей Интернета вещей (IoT)
Андрей Повный