A vezeték nélküli IoT-technológia áttekintése

A dolgok internete (IoT) egyszerre ismert és ismeretlen a modern világban. A technológiai iparban és a vállalatok világában dolgozók számára gyakori kifejezés, de az átlegemberek csak ritkán hallják, pedig a mindennapi életük része. A tárgyak internete a fizikai tárgyak, például eszközök, járművek, épületek, elektronikus eszközök és hálózatok összekapcsolhatóságát jelenti, amely lehetővé teszi, hogy ezek egymással kölcsönhatásba lépjenek, adatokat gyűjtsenek és cseréljenek. Ez több millió különböző dologra vonatkozik, beleértve a korszerűsített hagyományos termékeket is, amelyek korábban nem csatlakoztak az internethez.

Ez a cikk megvizsgálja, hogy ezek az eszközök milyen sokféleképpen kommunikálhatnak vezeték nélkül.

Az adatok felhőbe juttatásának három módja

Az IoT egyik kihívása az adatok eljuttatása az eszköz érzékelőjétől a felhőbe, ahol az adatok felhasználása, feldolgozása és tárolása történik. A Wi-Fi és a Bluetooth okostelefonok általi mindenütt jelenlévő használata, valamint a mobiltornyok és nyilvános Wi-Fi hozzáférési pontok széles körű elérhetősége minden eddiginél jobb hozzáférést biztosít a felhőhöz az IoT-érzékelők számára. Az adatok felhőbe juttatásának három alapvető módja van.

Érzékelő-átjáró-felhő. Egyes alkalmazásokban optimális megoldás az érzékelőadatokat átjáróhoz küldeni, amely aztán hatékonyan továbbítja azokat a felhőbe. Az alkalmazás igényeitől függően az átjáró az egyszerű relérendszerektől az olyan „intelligens” platformokig terjedhet, amelyek számításigényesebb, úgynevezett „edge processing” funkciókat végeznek. Az olyan eszközök, mint a parkolóhely-érzékelők és az asztalkihasználtság-érzékelők jellemzően átjárókra támaszkodnak az adatok továbbításában. A Wi-Fi egy példa az átjáróra. Otthoni használathoz Wi-Fi átjárót kell telepítenie. Azokon a nyilvános helyeken, ahol az átjáró már telepítve van, a Wi-Fi közvetlenül kommunikál a felhővel. A vezeték nélküli kommunikáció más típusai, például a Bluetooth, átjárót igényelnek. A Wi-Fi otthoni használatára példa a Hatch Baby Grow, egy intelligens pelenkázó alátét és mérleg. Wi-Fi segítségével továbbítja az adatokat az alátétbe épített mérlegről az otthoni internetre. A szülő és a gyermekorvos egy Android vagy iOS alkalmazáson keresztül követheti nyomon a felhőalapú információkat.

Érzékelő-mobiltelefon-felhő. Bizonyos esetekben az átjáró egy mobiltelefon lehet. Ilyenkor a Wi-Fi- vagy Bluetooth-képes okostelefonok átjáróként működnek az adatok felhőbe küldéséhez. A Voler például segített olyan fülhallgatók kifejlesztésében, amelyek az idősek egyensúlyát figyelik. Ezek Bluetooth LE vezeték nélküli átvitelt valósítanak meg egy okostelefonra, amelyen egy kapcsolódó alkalmazás fut. Az adatokat az okostelefon a felhőbe is elküldi, ahol további feldolgozás végezhető, illetve az adatok megoszthatók.

Intelligens eszköz-felhő. Az érzékelő közvetlenül csatlakozhat a felhőhöz olyan technológiák segítségével, mint az NB-IoT, az LTE-M vagy a LoRa. Ezek a technológiák mérföldeket hidalnak át nagyon kis teljesítmény mellett, ha az adatátviteli sebesség alacsony. Az internethez általában a mobiltornyoknál telepített berendezéseken keresztül csatlakoznak. Ugyanúgy működnek, mint a mobiltelefonok, kivéve, hogy az adatátviteli sebesség és a teljesítmény sokkal alacsonyabb. Havi díjért vehetők igénybe, de ez általában nagyon alacsony.

A vezeték nélküli IoT-kommunikációs stratégia tervezésénél a következő tényezőket kell figyelembe vennik: mennyi adatot kell átvinni, milyen messze van az adatforrás az internettől, mekkora teljesítményre van szükség és milyen magas a szolgáltatás költsége, ha van ilyen. Az okostelefonok széles körű használata és a Wi-Fi vagy Bluetooth rádiószabványok választása nagyon kényelmes csatlakoztathatóságot biztosít. Az újabb szabványok, mint például az NB-IoT és az LTE-M több lehetőséget nyitnak meg a tárgyak internetének jövője előtt.

Miért van szükség új technológiákra?

Az IoT még mindig fejlődik. Minden egyes iteráció alacsonyabb energiafogyasztást, nagyobb hatótávolságú vezeték nélküli kommunikációt és jobb funkciókat jelent. Az új eszközök kihasználhatják az új technológia előnyeit, és jobb teljesítményt nyújthatnak.

Mit kell figyelembe venni a kompromisszumok tekintetében?

Minden alkalommal, amikor a Voler hordható vagy bármilyen akkumulátorral működő eszközt tervez, az ügyfelek megkövetelik, hogy:

• hosszú ideig működjön;
• sok adatot továbbítson nagy távolságra;
• kisméretű akkumulátorral működjön.

Ezeknek az egymással versengő követelményeknek a kielégítése kompromisszumokkal jár, de a mérnöki munka a kompromisszumokról szól. A szükséges rendszerfunkciók figyelembe vételével kell meghozni a szükséges mérnöki kompromisszumokat a rendszerkövetelményeknek megfelelő optimális teljesítmény biztosításához. Fontos, hogy ezzel egyidejűleg a kielégítő felhasználói élmény is megvalósuljon. Az eredmény egy olyan termék, amely a legjobb kompromisszumokat kínálja a sokféle lehetőség közül.

A kompromisszumhoz figyelembe veendő szempontok

A Voler nemrégiben egy start-up céggel dolgozott együtt a csatlakoztatott termékük akkumulátora élettartamának javítása érdekében. Ez a Murata impModule™ termékén alapult, amely egy Arm® processzorral és Wi-Fi adó-vevővel rendelkezik. Több hetes akkumulátor-élettartamra volt szükségük, de ez a prototípus elkészítése után egy hétnél rövidebb volt. A Voler átdolgozta a programot a szükséges akkumulátor-élettartam érdekében, mivel az eredeti program nem az elképzelésnek megfelelően működött.

A vezeték nélküli átvitel során három dolgot kell kezelni: az átvitelhez szükséges teljesítményt, az adatátviteli sebességet és az átviteli távolságot. Fontos a megfelelő vezeték nélküli szabvány kiválasztása. A tervezett IoT-eszközhöz szükséges vezeték nélküli szabvány kiválasztásához vegye figyelembe az alábbi táblázatot. A táblázat az IoT-eszközökhöz használt elterjedt vezeték nélküli szabványokat és azok jellemzőit sorolja fel.

1. táblázat: Az elterjedt vezeték nélküli szabványok és képességeik. (Forrás: Voler)

A különböző vezeték nélküli szabványok nagyon eltérő teljesítményszinteket igényelnek. A szükséges teljesítmény az adatátviteli sebességtől és az átviteli távolságtól függ. Az 1. táblázat alapján például egy eszköznek 120 mW teljesítményre lehet szüksége ahhoz, hogy 100 bit adatot továbbítson másodpercenként egy kilométeres távolságra LTE Cellular használatával. Bluetooth LE alkalmazásával azonban 1 méterre történő átvitel mindössze 0,15 mW teljesítménnyel is megvalósítható lehet.

A vezeték nélküli IoT szabványok összehasonlítása

2. táblázat: A vezeték nélküli IoT-szabványok összehasonlítása. (Forrás: Voler)

A népszerű vezeték nélküli opciók energiaigénye

Ha egy eszköznek csak 10 méteren belül kell adatokat továbbítania, akkor a BLE és a Bluetooth elegendő. Az ipari és kereskedelmi célú IoT-eszközök, például leltárkezeléshez vagy egészségmegőrzéshez használt hordozható eszközök azonban nagyobb hatótávolságú kommunikációt, például NB-IoT-t vagy LTE-M-et igényelhetnek. Ha egy eszköz, például egy videokamera sok adatot küld, azt a BLE nem tudja kezelni. Nagy teljesítőképességű megoldás, például Wi-Fi és LTE választása szükséges.

Másrészt az NB-IoT és az LTE-M vezeték nélküli mobiltelefon-protokollok lehetővé teszik, hogy az IoT-eszközök alacsony energiafogyasztás mellett továbbítsanak adatokat távoli helyekre. Ugyanez igaz a SigFoxra is, amely akár 50 kilométerre is képes adatokat eljuttatni. A nagy adatátviteli sebességű mobiltelefon-szabványokkal ellentétben azonban a SigFox csak legfeljebb 300 bit adatot képes továbbítani másodpercenként.

Magán vagy nyilvános hálózat

A magánhálózat egy szolgáltató által telepített és ellenőrzött átjáróval rendelkezik egy vagy korlátozott számú felhasználó számára. A nyilvános hálózat olyan átjáróval működik, amelyet sok felhasználó használhat havi díj fizetése ellenében. Ilyen például a mobiltelefonos szolgáltatás.

A nyilvános hálózatokhoz infrastruktúrát kell telepíteni, például mobiltornyokat. A mobiltelefonok népszerűek és a mobiltornyok széles körű telepítése miatt könnyen barangolhatnak. A SigFox és a LoRa korlátozott infrastruktúrával rendelkezik az Egyesült Államokban, így egy ilyen technológiát használó eszköz a legtöbb helyen nem működne. A LoRa egy átjáró segítségével képes privát hálózat használatára.

2019-ben az NB-IoT és az LTE-M infrastruktúra telepítése meghaladta azt a pontot, hogy lehetővé vált az Egyesült Államok lakossága 90%-ának ellátása. Közeledik a mobil lefedettséghez hasonló szint elérése. Bár már évek óta létezik, végre új eszközökben is használható ez a technológia. Ez az infrastruktúra a világ legtöbb nagy országában is rendelkezésre áll, és az NB-IoT, illetve az LTE-M használatának gyors növekedése várható. A Sigfox és a LoRa messze elmarad a nyilvános infrastruktúra telepítésében.

Az alábbiakban összefoglaljuk a magán és nyilvános vezeték nélküli hálóztok főbb jellemzőit:

Magán

• A kommunikáció mindkét végpontja magántulajdonban van.
• Bárhol telepíthető.
• Engedélyhez nem kötött frekvenciatartomány.
• A bázisállomások és végpontok telepítésének költségei.
• Nincs havi díj.

Nyilvános

• Szolgáltató tulajdonában lévő hálózat – például mobilhálózat.
• Csak ott működik, ahol vannak bázisállomások.
• Könnyű barangolás.
• Engedélyköteles frekvenciatartomány.
• Havi hálózathasználati díj.

Mikor fog javulni az akkumulátor-technológia?

Ha az akkumulátorok jobbak lennének, egyszerűbb volna megfelelni ezeknek a kompromisszumoknak. A kémiai energiatárolás a hatékonyságának határaihoz közeledik. A nagyobb energiasűrűséggel és a jobb biztonsággal kapcsolatban azonban sok kutatás folyik.

Ha az akkumulátorok az elmúlt 50 évben úgy fejlődtek volna, mint a félvezetők, akkor ma egy egy pennybe kerülő, gombostűfej nagyságú akkumulátor biztosítaná egy autó energieellátását. Szükségtelen mondani, hogy a technológia erre még távolról sem képes, és soha nem is fogja megközelíteni. Ezért az eszközök lehetőségeit behatárolja az energia kémiai tárolásához szükséges hely.

A mai akkumulátorok körülbelül 10%-át tudják a kémiai energiatárolás lehetséges végső szintjének, ami körülbelül a benzinével egyenértékű. A benzinhez azonban biztonsági probléma társul. Egy másik hatékonyabb lehetőség a nukleáris energia, de itt is felmerülne a biztonsági kérdés, nem beszélve a hordozhatóság problémájáról. Az akkumulátorok terén a jövőben további fejlesztések fognak történni, de a változások lassúak lesznek.

Költségekkel kapcsolatos megfontolások

Sok IoT-eszközgyártó nem fektet be eleget a biztonságba azért, hogy termékeik megfizethetőek maradjanak és felgyorsítsák a piacra kerülés idejét. A biztonság fejlesztési szakaszba történő integrálása jelentősen növelheti a fejlesztés költségeit és idejét. A gyenge IoT-biztonsággal rendelkező IoT-eszközök gyártása azonban nemcsak az ügyfelek, hanem a gyártó márkája számára is káros következményekkel járhat — a termelékenység csökkenése, a jogi/megfelelőségi bírságok, a sérült hírnév és a pénzbeli veszteségek tekintetében.

Az IoT-eszközökhöz választott vezeték nélküli szabvány jelentősen befolyásolhatja az eszközök teljesítőképességét, használhatóságát, biztonságát és megbízhatóságát. Az IoT-eszközhöz legjobban illeszkedő szabvány az alkalmazástól függ. Az eszköz céljának ismerete segíthet meghatározni a megépítésével kapcsolatos legfontosabb követelményeket, például azt, hogy mennyi energiára van szüksége a hatékony működéshez, milyen gyorsan kell adatokat továbbítania, illetve mennyi ideig kell bírnia az akkumulátornak.

A Voler System IoT-eszközfejlesztő szakértői csapata végig tudja vezetni a tervezőt az IoT-gépek számára megfelelő vezeték nélküli szabvány kiválasztásán. Lépjen kapcsolatba egy IoT-szakértővel, ha többet szeretne megtudni a megfelelő vezeték nélküli szabvány kiválasztásáról bármilyen IoT-eszköz tervezéséhez.