Данная статья подготовлена мной, моим коллегой@geoinkи нашим руководителем Артёмом Николаевичем Волковым. Также можете посмотреть нашу предыдущую работу на данную тему.

Работа защищена и представлена нами на международной конференции ICACNGC 2023.

Введение

Анализ перспективных сетей 2030, таких как 6G, и услуг телеприсутствия позволяет предположить, что будущее связано с более высокой скоростью передачи данных, низкой задержкой и более широкой доступностью виртуальной и дополненной реальности. В сетях 6G ожидается значительный рост пропускной способности и возможности передачи данных на гораздо более высоких частотах, что откроет новые горизонты для взаимодействия пользователя с виртуальной средой.

Однако, с ростом возможностей сетей 6G и услуг телеприсутствия возникают важные научные и технические аспекты, включая проблематику "костюма телеприсутствия". Костюм телеприсутствия представляет собой технологически сложное устройство, которое согласно ожиданиям будет активно использоваться в такой среде.

Исследования должны сосредотачиваться на разработке костюмов телеприсутствия, которые максимально удовлетворяют требованиям эффективности и комфорта пользователя. Это включает в себя эргономический дизайн для устранения дискомфорта и утомления, оптимизацию энергопотребления и вычислительных ресурсов для обеспечения долгосрочной работы устройств, а также разработку механизмов защиты данных и обеспечения конфиденциальности, учитывая сбор личной информации в контексте телеприсутствия.

Помимо этого, важно уделять внимание стандартизации и нормативному регулированию, чтобы обеспечить совместимость костюмов телеприсутствия с инфраструктурой сетей 6G и соблюдение законодательства в сфере связи и защиты данных.

Таким образом, научные исследования и инженерные разработки в области "костюма телеприсутствия" имеют важное значение для обеспечения успешной интеграции услуг телеприсутствия в перспективных сетях 2030/6G и обеспечения удовлетворения потребностей пользователей в этом контексте.

Анализ актуальных решений

Проблематика

В современном мире встраиваемые системы играют ключевую роль во многих аспектах повседневной жизни, обеспечивая автоматизацию, мониторинг и сбор данных. В контексте развивающихся технологий Интернета вещей (IoT) взаимодействие между различными устройствами становится все более важным аспектом. Для обеспечения этой связи существует несколько протоколов и стандартов, каждый из которых обладает своими особенностями и применимостью.

В данной статье фокусируется внимание на взаимодействии между Raspberry Pi 4 Model B и WEMOS WiFi & Bluetooth ESP32. Особый интерес представляют три основных протокола связи: SPI (Serial Peripheral Interface), Bluetooth и I2C (Inter-Integrated Circuit). Эти протоколы обеспечивают эффективную передачу данных и управление между устройствами, при этом имея свои уникальные характеристики, предназначенные для различных сценариев применения.

В ходе исследования более детально рассмотрены каждый из этих протоколов, анализируя их задержки передачи данных. Это исследование проводится в рамках создания костюма телеприсутствия. В следующих разделах статьи мы подробно рассмотрим каждый из трех протоколов и представим результаты нашего исследования, позволяя читателям получить глубокое понимание о взаимодействии между Raspberry Pi 4 Model B и WEMOS WiFi & Bluetooth ESP32.

В статье также представлена архитектура бортовой сети костюма телеприсутствия. Приводятся пользовательские сценарии, а также определяется стек научно-прикладных задач, решение которых позволит приблизить внедрение услуг телеприсутствия.

Предлагаемая система

1. Общая архитектура

Костюм телеприсутствия представляет собой периферийное устройство, расположенное на пользовательском уровне. Этот уровень является отправной точкой для передачи данных. После этого происходит установление связи с роутером, который в свою очередь соединен с пограничным сервером и мульти-контроллером сервера. Пограничный сервер и мульти-контроллер сервера взаимодействуют друг с другом для обеспечения бесперебойной связи. Затем пограничный сервер соединен с роутером и маршрутизатором. Роутер обеспечивает связь с роботом, позволяя управлять им и передавать данные. Маршрутизатор, в свою очередь, соединен с облачным хранилищем, что позволяет сохранять и извлекать информацию из облака. Эта сложная структура сетевых соединений обеспечивает функциональность костюма телеприсутствия и его взаимодействие с роботом, а также с облачным хранилищем данных для обеспечения надежной и эффективной работы системы. 

2. Пример использования

Костюм телеприсутствия раскрывает свой потенциал в интеграции с роботом-гуманоидом и гибридными дронами, предоставляя уникальные возможности для решения критически важных задач в условиях разрушенной инфокоммуникационной инфраструктуры. В этой сценарной связке, костюм играет ключевую роль в управлении роботом-гуманоидом, который функционирует как мобильная базовая станция. Эта мобильная базовая станция робота-гуманоида сотрудничает с гибридными дронами, создавая Mesh-сеть. Mesh-сеть представляет собой распределенную и самоорганизующуюся инфраструктуру, где каждое устройство в сети может служить как приемником, так и передатчиком данных. Это обеспечивает надежную связь и обширное покрытие в условиях, где традиционные коммуникационные каналы могут быть прерваны. Эта совместная система робота-гуманоида, дронов и костюма телеприсутствия имеет исключительное значение в чрезвычайных ситуациях, таких как стихийные бедствия. Она способствует поиску и спасению людей, находящихся под завалами или потерявшихся в сложных условиях, предоставляя уникальные возможности для обнаружения и координации действий. Эта система является выдающимся примером инновационного применения технологий в области чрезвычайных ситуаций и спасательных операций.

3. Архитектура костюма телеприсутствия

Данная система использует вычислительные ресурсы Raspberry Pi 4 Model B в сочетании с пятью микроконтроллерами ESP32, которые взаимодействуют через интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface). Каждый из ESP32 модулей выполняет функцию сбора данных от сенсорных устройств, обеспечивая мониторинг окружающей среды. После сбора данных ESP32 передают эту информацию Raspberry Pi 4 Model B. Raspberry Pi 4 Model B, в свою очередь, выполняет функцию агрегатора данных и передатчика. Собранные данные обрабатываются и передаются по сети с использованием протокола MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) через роутер. MQTT Broker принимает и управляет этими данными, предоставляя интерфейс для множества устройств, которые могут подписываться и получать актуальную информацию. Такая система обеспечивает обработку и передачу данных с сенсоров к центральной инфраструктуре, включая мониторинг окружающей среды, автоматизацию процессов и дистанционное управление на основе собранных данных.

Эксперимент и результат

1. Сценарий

В рамках данного исследования были использованы готовые к программированию микроконтроллеры формата ESP и вычислительные ресурсы Raspberry Pi 4 Model B для создания бортовой системы костюма телеприсутствия. Этот выбор технологической оснастки, хотя и сопровождался некоторыми дополнительными задержками в реализации, не внес влияния на общий тренд, выявленный в ходе исследования.

Использование пяти микроконтроллеров ESP32 с Raspberry Pi 4 Model B предоставило возможность проверить жизнеспособность предлагаемой архитектуры и детально исследовать нефункциональные ограничения интерфейса SPI. Это важный аспект, который позволил оценить производительность и надежность системы.

2. Результаты

Установка соединения по технологии SPI

Из представленного графика можно сделать вывод, что лучшее качество передачи данных наблюдается в пределах 110 байт. Превышение этой величины приводит к значительному увеличению задержки передачи данных на Raspberry Pi 4 Model B, что становится заметным для человеческого восприятия. С другой стороны, устройство WEMOS WiFi & Bluetooth ESP 32 демонстрирует отсутствие заметной задержки даже при более высоких объемах данных.

Установка соединения по технологии Bluetooth

По анализу графика можно сделать заключение, что применение технологии Bluetooth не оптимально для целей передачи данных в структуре телеприсутствия, поскольку наблюдаемые задержки превышают приемлемые параметры.

Установка соединения по технологии I2C

Приемлемые задержки укладываются в пределах передачи данных до 10 байт. Однако, превышение этой величины приводит к неприемлемо большим задержкам, что не соответствует нашим требованиям. Также при передачи данных выше, чем 32 байта происходит сбой в программной части.

Анализ графиков

Путем анализа представленных графиков можно сделать заключение, что протокол SPI оптимален в передаче данных по скорости. Несмотря на изредка возникающие артефакты, их количество ограничено, что позволяет продолжать работу с этим протоколом. В контексте создания костюма телеприсутствия, для чего требуется взаимодействие с пятью устройствами WEMOS WiFi & Bluetooth ESP 32, предстоит оценить задержки именно для этого числа устройств

Соединение пяти WEMOS WiFi & Bluetooth ESP32 и Raspberry Pi 4 Model B

Выявленные задержки характеризуются значительными значениями, что оказывает существенное влияние на эффективность системы.

Вывод

В конечном итоге, мы пришли к выводу, что требуется создать собственный протокол передачи данных. В планах дальнейшего развития предполагается усовершенствование программной составляющей системы. Основной целью является снижение текущих уровней задержек до 1 миллисекунды с целью обеспечения более высокой эффективности и отзывчивости функционирования системы.