Přehled bezdrátových technologií pro IoT

Internet věcí (IoT) je v moderním světě známým i neznámým pojmem. Pro lidi z technologických oborů a korporátního světa jde o běžný termín, ale normální lidé jej slyší jen zřídka, přestože je součástí jejich každodenního života. IoT je konektivita fyzických objektů, jako jsou zařízení, vozidla, budovy, elektronika a sítě, která jim umožňuje interakci, shromažďování a výměnu dat. Týká se milionů různých věcí, včetně modernizovaných tradičních produktů, které dříve připojeny k internetu nebyly.

V tomto článku se podíváme na mnoho způsobů, kterými mohou tato zařízení bezdrátově komunikovat.

Tři způsoby, jak dostat data do cloudu

Jednou z výzev IoT je dostat data ze senzoru zařízení do cloudu, kde se tato data používají, zpracovávají a ukládají. Všudypřítomné používání Wi-Fi a Bluetooth v chytrých telefonech spolu s rozšířenou dostupností mobilních vysílačů a veřejných přístupových bodů Wi-Fi poskytuje senzorům IoT větší přístup ke cloudu než kdykoli předtím. Existují tři základní způsoby, jak dostat data do cloudu.

Ze senzoru do brány a do cloudu. V některých aplikacích je optimální odesílat data ze senzorů do brány, která je pak efektivně přenáší do cloudu. V závislosti na potřebách aplikace mohou bránu představovat jednoduché reléové systémy až „chytré“ platformy, které vykonávají výpočetně náročnější funkce zvané „edge processing“. Na brány se při přenosu dat obvykle spoléhají zařízení, jako jsou senzory parkovišť a senzory využití stolů. Příkladem brány je Wi-Fi. Pro domácí použití je třeba nainstalovat bránu Wi-Fi. Na veřejných místech, kde je již brána nainstalována, funguje Wi-Fi přímo do cloudu. Jiné typy bezdrátové komunikace, například Bluetooth, vyžadují bránu. Příkladem použití Wi-Fi v domácnosti je Hatch Baby Grow, inteligentní přebalovací podložka a váha v jednom s připojením k internetu. Využívá síť Wi-Fi k přenosu dat z váhy v přebalovací podložce do domácího internetu. Rodiče a pediatr mohou sledovat údaje v cloudu prostřednictvím aplikace pro systém Android nebo iOS.

Ze senzoru do mobilního telefonu a do cloudu. V některých případech může být bránou mobilní telefon. Chytré telefony s funkcí Wi-Fi nebo Bluetooth fungují jako brány k odesílání dat do cloudu. Společnost Voler například pomohla s vývojem sluchátek, která monitorují rovnováhu starších lidí. Sluchátka mají možnost bezdrátového přenosu Bluetooth LE do chytrého telefonu, kde je přidružená aplikace. Data se odesílají do cloudu také z chytrého telefonu, kde lze provádět další zpracování a data sdílet.

Z chytrého zařízení přímo do cloudu. Senzor se může připojit přímo ke cloudu pomocí technologií, jako je NB-IoT, LTE-M nebo LoRa. Tyto technologie přenášejí na kilometry daleko při velmi nízké spotřebě energie, pokud je datová rychlost nízká. Zařízení se připojují k internetu prostřednictvím vybavení, které je obvykle instalováno na mobilních vysílačích. To funguje téměř stejně jako mobilní telefony, kromě toho, že rychlost přenosu dat a spotřeba energie jsou mnohem nižší. Platí se za ně měsíční poplatek, ale obvykle je velmi malý.

Faktory, které je třeba vzít v úvahu při plánování strategie bezdrátové komunikace IoT, zahrnují: kolik dat bude přeneseno, jak daleko je zdroj dat od internetu, jaký výkon je vyžadován a jaká je cena služby, pokud se nějaká využívá a platí se za ni. Rozšířené používání chytrých telefonů a volba rádiových standardů Wi-Fi nebo Bluetooth nabízejí velmi pohodlnou konektivitu. Novější standardy, jako je NB-IoT a LTE-M, otevírají další možnosti pro internet věcí budoucnosti.

Proč jsou potřeba nové technologie?

IoT se stále vyvíjí. S každou iterací přichází nižší spotřeba energie, bezdrátová komunikace na delší vzdálenosti a lepší funkce. Nová zařízení mohou využívat výhody nové technologie a poskytovat lepší výkon.

Co je třeba vzít v úvahu při kompromisech

Pokaždé, když společnost Voler navrhuje nějaké nositelné zařízení nebo jakékoli zařízení napájené bateriemi, zákazníci požadují následující:

• Dlouhá výdrž
• Přenos velkého množství dat na velkou vzdálenost
• Baterie malé velikosti

Tyto vzájemně si konkurující požadavky si žádají kompromisy. Technika je o kompromisech. Zvažujte, jaké funkce systému požadujete, a proveďte technické kompromisy nezbytné k zajištění optimálního výkonu v souladu s požadavky na systém. Současně je důležité poskytovat uživatelům uspokojivě pohodlné používání. Výsledkem z mnoha možností je pak design s nejlepšími kompromisy.

Co zvážit při kompromisech

Společnost Voler nedávno spolupracovala se start-upem na prodloužení životnosti baterie připojeného produktu. Ten byl založen na hardwaru impModule ™ společnosti Murata s procesorem Arm® a vysílačem s přijímačem Wi-Fi. Požadována byla výdrž baterie mnoho týdnů a to bylo ani ne týden po prototypování. Společnost Voler revidovala kód, aby splňoval potřebnou výdrž baterie. Původní kód nefungoval podle očekávání.

Při bezdrátovém přenosu je třeba řídit tři věci: výkon potřebný k přenosu, datovou rychlost a dosah přenosu. Důležitý je výběr správného bezdrátového standardu. Při výběru bezdrátového standardu pro navrhované zařízení IoT se řiďte následující tabulkou. V tabulce jsou uvedeny běžné bezdrátové standardy používané pro zařízení IoT spolu s jejich charakteristikami.

Tabulka 1: Běžné bezdrátové standardy a jejich funkce (zdroj tabulky: společnost Voler)

Různé bezdrátové standardy vyžadují velmi různorodé úrovně výkonu. Požadovaný výkon závisí na datové rychlosti a rozsahu přenosu. Například s odkazem na tabulku 1 může zařízení vyžadovat výkon 120 mW k přenosu 100 bitů dat za sekundu na jeden kilometr pomocí mobilního připojení LTE. Pomocí technologie Bluetooth LE však k přenosu na 1 metr může zařízení potřebovat výkon pouze 0,15 mW.

Porovnání bezdrátových standardů IoT

Tabulka 2: Srovnání bezdrátových standardů IoT (zdroj tabulky: společnost Voler)

Požadavky na výkon u oblíbených bezdrátových možností

Pokud je od zařízení vyžadován přenos dat do vzdálenosti pouhých 10 metrů, budou dostačující technologie BLE a Bluetooth. Zařízení IoT pro průmyslové a komerční účely, jako je správa zásob nebo nositelná zařízení pro monitorování stavu, však mohou vyžadovat komunikaci na delší vzdálenosti, například pomocí standardů NB-IoT nebo LTE-M. Pokud zařízení odesílá velké množství dat, například videokamera, technologie BLE to nedokáže zpracovat. Je pak nutné zvolit technologii s vysokým výkonem, jako je Wi-Fi a LTE.

Na druhou stranu mobilní bezdrátové protokoly NB-IoT a LTE-M umožňují zařízením IoT přenášet data do vzdálených míst při nízké spotřebě energie. Totéž platí pro technologii SigFox, která dokáže přenášet data až na 50 kilometrů. Ale na rozdíl od mobilních standardů s vysokou datovou rychlostí může technologie SigFox přenášet rychlostí pouze až 300 bitů dat za sekundu.

Soukromá vs. veřejná síť

Soukromá síť má bránu nainstalovanou a řízenou poskytovatelem pro jednoho nebo omezený počet uživatelů. Veřejná síť má bránu, kterou může za měsíční poplatek využívat mnoho uživatelů. Příkladem je mobilní služba.

Veřejné sítě vyžadují instalaci infrastruktury, jako jsou mobilní vysílače. Mobilní telefony jsou populární a mohou snadno měnit polohu kvůli rozšířené instalaci mobilních vysílačů. Technologie SigFox a LoRa mají v USA omezenou infrastrukturu, takže zařízení využívající tuto technologii by na většině míst nefungovalo. Technologie LoRa nabízí možnost soukromé sítě pomocí brány.

V roce 2019 dosáhla instalace infrastruktury pro technologie NB-IoT a LTE-M pokrytí 90 % obyvatel Spojených států. To se již blíží dostupnosti pokrytí mobilním připojením. Ačkoli technologie existuje už léta, konečně ji lze používat v nových zařízeních. Infrastruktura je zavedena také ve většině velkých zemí po celém světě. Očekávejte rychlý nárůst využívání technologií NB-IoT a LTE-M. Sítě Sigfox a LoRa jsou v instalaci veřejné infrastruktury pozadu.

Níže je uveden souhrn soukromých a veřejných možností bezdrátového připojení:

Soukromé

• Oba konce komunikace v soukromém vlastnictví
• Možnost instalace kdekoli
• Řešení bez licence
• Náklady na instalaci základních stanic a koncových bodů
• Žádný měsíční poplatek

Veřejné

• Síť vlastněná poskytovatelem – například mobilní
• Funguje pouze tam, kde existují základní stanice
• Snadná změna polohy
• Řešení s licencí
• Měsíční poplatek za používání sítě

Kdy dojde ke zlepšení technologie baterií?

Pokud by byly baterie lepší, byly by tyto kompromisy jednodušší. Uložení chemické energie se blíží hranici své efektivity. Probíhá však mnoho výzkumu týkajících se vyšší hustoty a lepší bezpečnosti.

Pokud by baterie posledních 50 let postupovaly stejným vývojem jako polovodiče, měli byste nyní baterii o velikosti špendlíkové hlavičky, která by stála pár halířů a poháněla by vaše auto. Netřeba dodávat, že současné technologie se tomu ani zdaleka neblíží a nikdy nebudou. Zařízení jsou proto omezena prostorem potřebným pro chemické uložení energie.

Dnešní baterie představují asi 10 % nejvyšší úrovně uložení chemické energie, což by bylo něco jako benzín. U benzínu je však problém s bezpečností. Další efektivnější možností je jaderná energie, ale zde by opět byla otázka bezpečnosti, nemluvě o problému přenositelnosti. V budoucnu dojde k postupnému vylepšování baterií, ale změny budou pomalé.

Co zvážit ohledně nákladů

Mnoho výrobců zařízení IoT neinvestuje dostatečně do toho, aby udrželi cenovou dostupnost svých produktů a zkrátili dobu do uvedení na trh. Integrace zabezpečení během fáze vývoje může výrazně zvýšit náklady a dobu vývoje. Budování zařízení IoT se slabým zabezpečením IoT však může mít další negativní důsledky nejen pro zákazníky, ale také pro značku výrobce – může dojít ke ztrátě produktivity, pokutám za nedodržování zákonů a předpisů, poškození dobré pověsti a finančním ztrátám.

Bezdrátový standard zvolený pro zařízení IoT může významně ovlivnit jeho výkon, použitelnost, zabezpečení a spolehlivost. Nejvhodnější standard pro zařízení IoT závisí na jeho aplikaci. Znalost účelu zařízení může pomoci určit klíčové požadavky na jeho sestavení, například kolik energie potřebuje k efektivnímu provozu, jak rychle má přenášet data a jak dlouho musí baterie vydržet.

Tým odborníků na vývoj zařízení IoT ve společnosti Voler System může konstruktéra výběrem správného bezdrátového standardu pro zařízení IoT provést. Chcete-li se dozvědět více o výběru správného bezdrátového standardu pro jakýkoli design zařízení IoT, obraťte se na odborníka na IoT.