PLN | EUR | USD

Przegląd technologii bezprzewodowych dla Internetu rzeczy (IoT)

Przez: Walter N. Maclay, President, Voler Systems

Przekazane przez: Północnoamerykańscy redaktorzy Digi-Key

Internet rzeczy (IoT) jest we współczesnym świecie zarówno znany, jak i nieznany. Dla osób z branży technologicznej i świata korporacji jest to określenie powszechne, ale rzadko słyszane przez ogół społeczeństwa, chociaż stanowi część ich codziennego życia. Internet rzeczy (IoT) to łączność obiektów fizycznych, takich jak urządzenia, pojazdy, budynki, elektronika i sieci, która umożliwia im interakcje, gromadzenie i wymianę danych. Dotyczy milionów różnych rzeczy, w tym unowocześnionych produktów tradycyjnych, które wcześniej nie były połączone z Internetem.

W niniejszym artykule przyjrzymy się wielu sposobom komunikacji bezprzewodowej tych urządzeń.

Trzy sposoby przenoszenia danych do chmury

Jednym z wyzwań Internetu rzeczy (IoT) jest przenoszenie danych z czujnika urządzenia do chmury, gdzie są one wykorzystywane, przetwarzane i przechowywane. Wszechobecne korzystanie z Wi-Fi i Bluetooth za pośrednictwem smartfonów, wraz z powszechną dostępnością wież komórkowych i publicznych punktów dostępu Wi-Fi, zapewnia czujnikom IoT większy dostęp do chmury niż kiedykolwiek wcześniej. Istnieją trzy podstawowe sposoby przenoszenia danych do chmury.

Z czujnika do chmury przez bramę. W niektórych zastosowaniach optymalne jest wysyłanie danych z czujnika do bramy, która następnie wydajnie przesyła te dane do chmury. W zależności od potrzeb aplikacji brama może oznaczać zarówno proste systemy przekaźnikowe, jak i „inteligentne” platformy, które wykonują funkcje wymagające większej mocy obliczeniowej zwane „przetwarzaniem brzegowym”. Urządzenia, takie jak czujniki parkingowe i czujniki wykorzystania biurek, zazwyczaj przesyłają dane, polegając na bramach. Przykładem bramy jest sieć Wi-Fi. Do użytku domowego konieczne jest zainstalowanie bramy Wi-Fi. W miejscach publicznych, w których brama jest już zainstalowana, sieć Wi-Fi działa bezpośrednio w chmurze. Bram wymagają też inne rodzaje komunikacji bezprzewodowej, takie jak Bluetooth. Przykładem Wi-Fi w domu jest Hatch Baby Grow, inteligentny przewijak z podłączoną wagą. Wykorzystuje on Wi-Fi do przesyłania danych z wagi w przewijaku do domowego internetu. Rodzic i pediatra mogą śledzić informacje w chmurze za pośrednictwem aplikacji na systemy Android lub iOS.

Z czujnika do chmury przez telefon komórkowy. W niektórych przypadkach bramą może być telefon komórkowy. Smartfony z obsługą Wi-Fi lub Bluetooth działają jako bramy do przesyłania danych do chmury. Na przykład firma Voler pomogła w opracowaniu wkładek dousznych, które monitorują równowagę u osób starszych. Mają funkcję bezprzewodowej transmisji Bluetooth LE do smartfona, na którym zainstalowana jest powiązana aplikacja. Dane są również przesyłane do chmury ze smartfona, gdzie można je dalej przetwarzać i udostępniać.

Z urządzeń inteligentnych bezpośrednio do chmury. Czujnik może łączyć się bezpośrednio z chmurą za pomocą technologii takich jak NB-IoT, LTE-M czy LoRa. Technologie te transmitują dane na odległość wielu kilometrów przy bardzo niskim zużyciu energii, o ile szybkość transmisji danych jest niska. Łączą się z Internetem za pomocą sprzętu zwykle instalowanego na wieżach komórkowych. Działają tak samo, jak telefony komórkowe, z wyjątkiem tego, że szybkość transmisji danych i moc są znacznie niższe. Obowiązuje miesięczna opłata, ale zazwyczaj jest ona bardzo niska.

Zagadnienia, które należy wziąć pod uwagę przy planowaniu strategii komunikacji bezprzewodowej IoT obejmują: ilość przesyłanych danych, odległość źródła danych od urządzenia podłączonego do Internetu, zapotrzebowanie na energię oraz ewentualny koszt usługi. Szerokie zastosowanie smartfonów i oferta standardów radiowych Wi-Fi lub Bluetooth zapewniają bardzo wygodną łączność. Nowsze standardy, takie jak NB-IoT i LTE-M, otwierają nowe możliwości dla przyszłego Internetu rzeczy.

Dlaczego potrzebne są nowe technologie?

Internet rzeczy (IoT) wciąż się rozwija. Każde ulepszenie technologii IoT skutkuje mniejszym zużyciem energii, większym zasięgiem komunikacji bezprzewodowej i lepszymi funkcjami. Nowe urządzenia mogą korzystać z nowej technologii i zapewniać lepszą wydajność.

Co należy wziąć pod uwagę, jeśli chodzi o kompromisy

Za każdym razem, gdy firma Voler projektuje urządzenie ubieralne lub jakiekolwiek urządzenie zasilane bateryjnie, klienci wymagają, aby:

  • Działało ono przez długi czas
  • Przesyłało dużo danych na duże odległości
  • Miało miniaturową baterię

Jednak nie da się spełnić wszystkich tych coraz wyższych wymagań bez pewnych kompromisów. Kompromisy to inżynieria. Należy przeanalizować wymagane funkcje systemu i dokonać kompromisów w budowie urządzenia niezbędnych do zapewnienia optymalnych parametrów działania zgodnie z wymaganiami systemu. Ważne jest, aby jednocześnie zapewnić zadowalający komfort obsługi. Efektem będzie projekt z najlepszym kompromisem spośród wielu dostępnych opcji.

Uwagi dotyczące kompromisów

  • Szybkość transmisji danych
  • Odległość transmisji
  • Rozmiar baterii
  • Koszt
  • Pasmo licencjonowane a nielicencjonowane
  • Wdrożenie realizowane przez operatora a wdrożenie realizowane przez klienta
  • Gęstość urządzeń końcowych
  • Docelowe miejsce uruchomienia
  • Aktualizacje oprogramowania sprzętowego
  • Sterowniki systemu operacyjnego
  • Dobór komponentów/modułów
  • Anteny
  • Dojrzałość technologii

Dążąc do wydłużenia czasu pracy baterii swojego produktu IoT, firma Voler podjęła niedawno współpracę z pewnym start-upem. Produkt ten został oparty na module impModule™ firmy Murata zawierającym procesor ARM® i nadajniko-odbiornik Wi-Fi. Potrzebna była bateria o czasie pracy wielu tygodni, a od momentu prototypowania minął mniej niż tydzień. Firma Voler zmodyfikowała kod, aby osiągnąć wymagany czas pracy baterii. Początkowy kod nie dawał oczekiwanych efektów.

W przypadku transmisji bezprzewodowej istotne są trzy czynniki: zapotrzebowanie na energię wymaganą do transmisji, szybkość transmisji danych i jej zasięg. Wybór odpowiedniego standardu bezprzewodowego jest ważny. Wybierając standard bezprzewodowy dla projektowanego urządzenia Internetu rzeczy (IoT), można skorzystać z poniższej tabeli. Wymieniono w niej popularne standardy bezprzewodowe używane w urządzeniach IoT wraz z ich charakterystyką.

Tabela typowych standardów bezprzewodowych i ich możliwościTabela 1: popularne standardy bezprzewodowe i ich możliwości. (Źródło tabeli: Voler)

Różne standardy bezprzewodowe wymagają bardzo różnych poziomów mocy. Wymagana moc zależy od szybkości transmisji danych i zasięgu transmisji. Na przykład, odnosząc się do tabeli 1, urządzenie może wymagać 120mW mocy do przesyłania 100 bitów danych na sekundę na jeden kilometr z wykorzystaniem komórkowej sieci LTE. Ale przy zastosowaniu technologii Bluetooth LE do transmisji na odległość 1 metra, urządzenie może potrzebować tylko 0,15mW mocy.

Porównanie standardów bezprzewodowych Internetu rzeczy (IoT)

Tabela porównawcza standardów bezprzewodowego Internetu rzeczy (IoT)Tabela 2: porównanie standardów bezprzewodowego Internetu rzeczy (IoT). (Źródło tabeli: Voler)

Wymagania dotyczące zasilania dla popularnych opcji bezprzewodowych

Jeśli potrzebne jest urządzenie do przesyłania danych tylko na odległość do 10 metrów, technologie BLE i Bluetooth będą wystarczające. Jednak urządzenia Internetu rzeczy (IoT) do celów przemysłowych i komercyjnych, takich jak zarządzanie zapasami lub urządzenia ubieralne do monitorowania stanu zdrowia, mogą wymagać standardu komunikacji o większym zasięgu, takiego jak NB-IoT lub LTE-M. Jeśli urządzenie wysyła dużo danych, tak jak na przykład kamera wideo, BLE nie będzie w stanie go obsłużyć. Potrzebne będą opcje dużej mocy, takie jak Wi-Fi i LTE.

Z drugiej strony bezprzewodowe protokoły komórkowe NB-IoT i LTE-M umożliwiają urządzeniom IoT przesyłanie danych do odległych lokalizacji przy niskim poborze mocy. To samo dotyczy standardu SigFox, który może przesyłać dane na odległość nawet 50 kilometrów. Ale w przeciwieństwie do standardów komórkowych o dużej szybkości transmisji danych, SigFox może przesyłać tylko do 300 bitów danych na sekundę.

Sieć prywatna a publiczna

Sieć prywatna ma bramę zainstalowaną i kontrolowaną przez operatora dla jednego lub ograniczonej liczby użytkowników. Sieć publiczna ma bramę, z której może korzystać wielu użytkowników, płacąc miesięczną opłatę. Przykładem jest usługa komórkowa.

Sieci publiczne wymagają zainstalowania infrastruktury, takiej jak wieże telefonii komórkowej. Telefony komórkowe są popularne i mają charakter mobilny ze względu na powszechną instalację wież komórkowych. Standardy SigFox i LoRa mają ograniczoną infrastrukturę w USA, więc urządzenie wykorzystujące tę technologię nie działałoby w większości miejsc. Standard LoRa ma opcję sieci prywatnej z zastosowaniem bramy.

Do 2019 roku infrastruktura dla standardów NB-IoT i LTE-M została na tyle rozbudowana, że pokryła swoim zasięgiem 90% populacji Stanów Zjednoczonych. Zbliża się pod względem dostępności do zasięgu sieci komórkowej. Mimo, że istnieje od lat, dopiero teraz technologia ta może znaleźć zastosowanie w nowych urządzeniach. Jej infrastruktura istnieje również w większości najważniejszych krajów świata. Należy spodziewać się więc szybkiego wzrostu wykorzystania standardów NB-IoT i LTE-M. Standardy SigFox i LoRa pod względem rozbudowy infrastruktury publicznej zostają daleko w tyle.

Poniżej znajduje się podsumowanie prywatnych i publicznych opcji bezprzewodowych:

Prywatne

  • Oba punkty końcowe komunikacji są własnością prywatną
  • Można instalować w dowolnym miejscu
  • Pasmo nielicencjonowane
  • Koszt instalacji stacji bazowych i punktów końcowych
  • Brak opłaty miesięcznej

Publiczne

  • Sieć należy do operatora - na przykład komórkowa
  • Działa tylko tam, gdzie istnieją stacje bazowe
  • Duża mobilność
  • Pasmo licencjonowane
  • Miesięczna opłata za korzystanie z sieci

Kiedy technologia baterii ulegnie poprawie?

Gdyby baterie były lepsze, wspomniane kompromisy byłyby prostsze. Magazynowanie energii chemicznej zbliża się do granicy swojej wydajności. Prowadzi się jednak wiele badań nad wyższą gęstością i większym bezpieczeństwem.

Gdyby baterie rozwijały się tak, jak półprzewodniki w ciągu ostatnich 50 lat, mielibyśmy baterię wielkości główki szpilki, która kosztowałaby grosze i zasilałaby cały samochód. Nie trzeba dodawać, że technologia ta nie jest nawet bliska takiego punktu i nigdy nie będzie. Dlatego urządzenia są ograniczone przestrzenią potrzebną do chemicznego magazynowania energii.

Dzisiejsze akumulatory stanowią około 10% całego potencjału chemicznego magazynowania energii, co można porównać do benzyny. Jednak benzyna jest problematyczna, jeśli chodzi o bezpieczeństwo. Inną bardziej wydajną opcją jest energia jądrowa, ale znów pojawia się tutaj kwestia bezpieczeństwa, nie wspominając o problemie z przenoszeniem. W przyszłości nastąpi stopniowe ulepszanie baterii, ale zmiany będą powolne.

Kwestie dotyczące kosztów

Wielu producentów urządzeń Internetu rzeczy (IoT) nie inwestuje wystarczająco w zabezpieczenia, aby ich produkty były dostępne w przystępnej cenie i aby skrócić czas ich wprowadzenia na rynek. Integracja zabezpieczeń na etapie rozwojowym może znacznie zwiększyć koszty i wydłużyć czas opracowywania. Jednak budowanie urządzeń dla Internetu rzeczy (IoT) ze słabymi zabezpieczeniami może mieć bardziej negatywne konsekwencje nie tylko dla klientów, ale także dla marki producenta - w zakresie utraty produktywności, kar prawnych, kar w zakresie zgodności, zniszczonej reputacji i strat pieniężnych.

Wybór standardu łączności bezprzewodowej dla urządzeń Internetu rzeczy (IoT) może znacząco wpłynąć na ich wydajność, użyteczność, bezpieczeństwo i niezawodność. Najlepszy standard dla danego urządzenia IoT zależy od jego zastosowania. Znajomość przeznaczenia urządzenia może pomóc w określeniu kluczowych wymagań związanych z jego wykonaniem, takich jak ilość energii potrzebnej do wydajnej pracy, szybkość przesyłania danych i czas pracy baterii.

W wyborze odpowiedniego standardu bezprzewodowego dla urządzeń Internetu rzeczy (IoT) może pomóc zespół ekspertów ds. rozwoju urządzeń IoT z firmy Voler System. Skontaktuj się z ekspertem ds. Internetu rzeczy (IoT) już teraz, aby dowiedzieć się więcej o wyborze odpowiedniego standardu bezprzewodowego dla dowolnego projektu urządzenia IoT.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Informacje o autorze

Walter N. Maclay, President, Voler Systems

Mr. Walt Maclay, President and founder of Voler Systems, is recognized as a domain expert in Silicon Valley technical consulting associations. He has spoken on sensors, wearable devices, wireless communication, and low power design. He was President of the Professional and Technical Consultants Association (PATCA). He is a senior life member of the Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) and a member of the Consultants Network of Silicon Valley. Mr. Maclay holds a BSEE degree in Electrical Engineering from Syracuse University.

Informacje o wydawcy

Północnoamerykańscy redaktorzy Digi-Key