Как разрабатывают и производят устройства IoT в России

Как разрабатывают и производят устройства IoT в России

Мы с большим любопытством заглянули в R&D-отдел наших давних партнеров — компании Стриж, которая сама разрабатывает и производит в России базовые станции, конечные устройства IoT, протоколы передачи и ПО. Большая часть наших вопросов касалась организации процесса разработки и трудностей, с которыми они сталкивались.

Тот, кто в теме IoT, наверняка слышал про компанию Стриж. Это производитель беспроводных устройств класса LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) для интернета вещей. Они разрабатывают системы телеметрии для ЖКХ, безопасности, «умных» городов и сельского хозяйства. Причем создают полный комплекс устройств, включая различные счетчики (электроэнергии, газа, воды), базовые станции, сервера сбора статистики и облачные интерфейсы доступа к данным, а все производство находится в России.

Главной их разработкой является радиопротокол XNB (Extended Narrowband). Благодаря работе в сверхузкой полосе XNB позволяет передавать сигнал в городе до 10 км. Он адаптирован для передачи сигнала мощностью до 25 мВт на частоте 868,8 МГц (не требует разрешений и лицензий).

Особенностью протокола является высокая проникающая способность. Конструкции зданий не являются серьезной преградой, а передача возможна из подвалов и через толстые стены, там где не «ловит» GSM.

Все данные передаются в зашифрованном виде, поддерживаются следующие алгоритмы шифрования: AES-128, XTEA-256, ГОСТ Р34.12-2015.

Что именно они производят

Основной список устройств выглядит так: однофазные/трехфазные электросчетчики, счетчики воды, газа, теплосчетчики, радиомодемы, базовые LPWAN-радиостанции, DevKIT XNB. В счетчиках примечательно то, что в условиях городской застройки они могут отправлять сигнал на расстояние до 10 км, а от одной встроенной батарейки емкостью 3600 мАч работать 10 лет.

Внешне эти приборы выглядят вот так:

Счетчик воды СВК 15-3-2 с радиомодемом «СТРИЖ» ДУ15 110 мм

Электросчетчик А3 со встроенным LPWAN-радиомодемом

Радиомодем «СТРИЖ», интегрированный с датчиком протечки

Базовая LPWAN-радиостанция «СТРИЖ»

Вот некоторые из ее характеристик:

  • Радиус действия: до 10 км — городская среда; до 50 км — открытое пространство
  • Чувствительность: -142 дБм
  • Частотный диапазон: 400 МГц — 1 ГГц, включая 433 МГц и 868,8 МГц
  • Скорость передачи данных: Downlink 200, 500, 5000, 57600 бод/сек, Uplink 50, 4000 бод/сек

В основе DevKIT лежит XNB модем, основанный на чипе Semiconductor ax8052f143 с архитектурой 8051 и богатой радиопериферией. На плате установлено две антенны: одна, передающая, работает на частоте 868,8 МГц, вторая, принимающая, — на частоте 446 МГц.

При разработке IoT-устройства не стоит беспокоиться о протоколе радиосвязи или шифровании, модем все сделает сам, ему нужно лишь передать данные по UART и команду на отправку. При получении данных модем также расшифрует данные и передаст их на обработку микроконтроллеру.

Для более серьезных задач есть возможность использовать SDK самого чипа Semiconductor ax8052f143 с библиотеками XNB. Это позволяет отказаться от внешнего управляющего микроконтроллера и снизить энергопотребление устройства в целом. Правда, придется приложить больше усилий при разработке прошивки.

С чего начинается разработка

Первый вариант — когда какой-либо производитель водо- или электросчетчиков обращается за добавлением к своим продуктам функций передачи показаний по радиоканалу. В этом случае каждая компания занимается разработкой/доработкой своей части, что ускоряет процесс в целом. Готовое «умное» устройство выходит уже через месяц, при этом работает один программист и один схемотехник, и большую часть времени устройство тестируется на стенде.

Второй вариант — устройство разрабатывается под требования поставщика электроэнергии или водоснабжающей компании. При таких заказах компания чаще всего должна участвовать в тендере, и с точки зрения финансов это наиболее затратный вариант. Но в случае победы все вложенные инвестиции окупятся. Например, по такой схеме Стриж работал с Мосэнергосбытом.

Сам процесс

Первый этап — формулировка технического задания. Для IoT устройств Стриж в него всегда входят такие требования, как длительная (порядка 10 лет) работа от батареи, дальность передачи данных в городе 10 км, на открытом пространстве — 50 км, тип связи (односторонняя или двусторонняя).

Затем начинается разработка схем. Специалисты придумывают компонентную базу, определяют расположение элементов внутри корпуса и места размещения антенн, выбирают материал корпуса, которой позволит обеспечить хорошие радиохарактеристики в том или ином конкретном случае.

Отечественные элементы поставщики привозят без предварительной оплаты, что сильно ускоряет производство. Радиочипы Semiconductor ax8052f143 закупаются напрямую у производителя большими партиями, что позволяет получить максимально низкую цену.

Печатные платы производятся в Зеленограде компанией «Резонит», которую знает, пожалуй, любой радиолюбитель.

В разработке постоянно находятся несколько устройств.

После выпуска платы за дело берутся программисты. Прошивку для устройства обычно пишет один человек. После этого устройство устанавливается на стенд и тщательно тестируется, поскольку впоследствии оно должно будет проработать без сбоев в течение нескольких лет. Мощность передачи сигнала не может превышать 25 мВт. Для контроля у каждого инженера есть осциллограф и средства для анализа радиоэфира. Если в течение месяца устройство работает без сбоев, разработка считается завершенной.

Поскольку каждое устройство уникально, во время разработки приходится решать много новых проблем. Больше всего разработчиков Стрижа заботит вот такой список задач:

  • Взаимное влияние антенн
  • Расположение антенны в устройстве
  • Прогнозирование ухода частоты
  • Стоимость устройства
  • Перегрев базовой радиостанции

БС тестируется в специальной морозильной камере, а также в южных городах нашей Родины, где летом температура на солнце может достигать 50°С. Во всех случаях работа системы должна быть стабильной.

  • Облако
  • Поддержка

На случай вмешательства владельцев в работу устройства (например, остановку счетчика с помощью магнита) приборы оснащены датчикам магнитного поля и рядом других сенсоров.

Вот такой список забот есть сегодня у российских разработчиков IoT, которые, кстати, готовы поделиться своим опытом. Три специалиста Стрижа выступят на нашей январской конференции InoThings++ 2018. У Андрея Цислава, технического директора, будет доклад на тему «Разработка устройств IoT — то о чем не написано в книгах», руководитель интернет-разработки Сергей Аксенов раскроет тему «Антипаттернов разработки программных комплексов для интернета вещей», а Станислав Елизаров, руководитель отдела сетевой инфраструктуры, выступит c докладом «Почти надежные решения».

Для заинтересованных у нас есть небольшой бонус — код на 15-процентную скидку на билеты (HabraIoT2018), который надо ввести при регистрации.

Не-не, не так. Мы приняли решение сделать первую конференцию для разработчиков интернета-вещей полностью бесплатной. Регистрируйтесь и приходите!

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎