Vezeték nélküli kommunikáció a tárgyak internetéhez

Az IoT megváltoztatja a világunkat. A növekvő számú létesítményben és városban szerte a világban az érzékelők és a hálózathoz csatlakozó egyéb eszközök telepítve vannak. A “dolgok” hálózatba kapcsolása és adatgyűjtés és -csere lehetővé tétele lehetővé teszi a meglévő folyamatok jelentős fejlesztését és teljesen új üzleti modelleket. Jelenleg a tárgyak internetének legnépszerűbb felhasználási esetei a környezeti állapotfigyelés, az objektumok elhelyezése és az intelligens mérés.

A tárgyak internetén alapuló további alkalmazások és új modellek szükségessé teszik teljesen új kommunikációs technikák kifejlesztését, amelyek több százezer eszköz egyidejű kommunikációját teszik lehetővé. Jelenleg a tárgyak interneten használt kommunikációs technikák legfontosabb kihívásai a következők:

  • Hosszú akkumulátor élettartam biztosítása – sok IoT eszköz hosszú időn át, gyakran több évig működik az akkumulátorral. Jó példa erre a riasztóberendezés, amely közvetlenül a tűzoltóságnak küld adatokat. Ha az eszközt minden lakásban elhelyezik, a méretarány miatt az ilyen eszközökben az elemek cseréjéhez kapcsolódó költségek óriásiak lesznek.
  • Lefedettség biztosítása – Az IoT eszközöket különböző helyeken lehet telepíteni, amelyekben lehetetlen vagy nagyon nehéz kábeles kommunikációt biztosítani – pincékben, távoli gazdaságokban vagy erdőkben. Ezért nagyon fontos, hogy az eszközök jó rádiós hatótávolsággal rendelkezzenek
  • Az eszköz alacsony költsége és az alacsony telepítési költsége – várhatóan több milliárd internetes eszközt fog működtetni a Földön a következő években és a tárgyak internete többszörös lesz az internetnél. Ezért fontos, hogy az eszközök és azok megvalósítása olcsó legyen.

Vezeték nélküli kommunikáció az IoT-hez

Jelenleg több mint egy tucat kommunikációs szabvány létezik az IoT eszközök közötti kommunikációra. A tárgyak internetkapcsolatának négy fő csoportja megkülönböztethető:

  • PAN (Personal Area Network) és HAN (Home Area Network) – rövid hatótávolságú hálózatok, amelyek lehetővé teszik a személyes eszközök (sportórák, alváskövetők, pulzusmérők stb.) és a háztartásban használt eszközök kommunikációját (pl. termosztátok, érzékelők, otthoni automatizálás). Ezekben a hálózatokban működő eszközöket a legalacsonyabb energiafogyasztás jellemzi és így a leghosszabb élettartamot biztosítja az elemeknek. Az ilyen eszközök tartománya az alkalmazott kommunikációs protokolltól függően néhány centiméter (NFC) és több tíz méter között van (WiFi, ZigBee, Bluetooth Low Energy). A PAN és HAN kommunikációhoz használt legnépszerűbb protokollok a következők: NFC, RFID, Bluetooth Low Energy, ZigBee, WiFi és Z-Wave.
  • LAN (helyi hálózat) – egy nagyobb területet lefedő hálózat, pl. gyár vagy egy irodaház. Az ilyen hálózatokban működő eszközök főként különböző típusú vezeték nélküli érzékelők, amelyek kommunikálnak a gatewayekkel, amik lehetővé teszik az internetre történő adatátvitelt. A vezeték nélküli kommunikáció LAN hálózatokban több tucat és több száz méter közötti tartományt igényel. A LAN hálózatokban gyakran használt kommunikációs protokollok WiFi és Bluetooth 5.0.
  • WAN (Wide Area Network) – széles területi hálózat, amely kiterjed egy nagy földrajzi területre. Egészen a közelmúltig a vezeték nélküli kommunikáció a WAN-hálózatokban csak GSM hálózatokon (2G, 3G, 4G) alapult, amelyek az eszközök folyamatos áramellátását igényelték. A közelmúltban egy új, kommunikációs technikák csoportja jelent meg, amelyek a tárgyak internetére – LPWAN (Low Power Wide Area Network) irányulnak. Ezekkel a kommunikációs technikákkal az eszközök nagyon kis adatátvitelt tudnak küldeni nagyobb távolságokon, csak az akkumulátor töltöttségét használva. Az LPWAN kommunikációs technikákat mindenféle érzékelő, villamos mérő, nyomkövető és még nagyobb diagnosztikai adatokat továbbító eszközök használják. A legnépszerűbb vezeték nélküli kommunikációs technológiák ebben a csoportban: LoRA, Sigfox, NB-IoT, LTE-Cat1 és LTE-M. Az LPWAN kommunikációs technológiák viszonylag újak, ezért az őket támogató kommunikációs modulok ára magas a rövid távú kommunikációt támogató modulok (ZigBee, BLE, WiFi) áraival szemben. Végül az LPWAN kommunikációs modulok legfeljebb 5 dollárba kerülnek, ami népszerűbbé teszi ezeket a kommunikációs technikákat.

Milyen vezeték nélküli kommunikációs technológiát válasszon?

A vezeték nélküli kommunikációs technikák mindegyikének vannak előnyei és hátrányai. A kommunikációs technika kiválasztásánál érdemes azt megfelelően az adott felhasználási esetre kiválasztani. Például, a szívritmust figyelő sportóráknak nem kell nagy távolságra küldeniük az adatokat, de fontos, hogy gyakran végezzen méréseket és hosszú ideig üzemeljenek az elemek azok cseréje nélkül. Másrészről a távoli épületek hőmérsékletét figyelő vezeték nélküli érzékelőknek nem kell néhány másodpercenként információt küldeniük, de fontos, hogy a telepítés gyors és kényelmes legyen és az akkumulátor cseréje a lehető legkevesebb alkalommal történjen meg.

Vezeték nélküli kommunikációs technika kiválasztásakor vegye figyelembe:

  • Tartomány – ha a készülék csak helyben működik, fontos, hogy annak tartománya elegendő legyen a készülék munkaterületének lefedésére. Például egy sportóra esetében néhány tíz centiméternyi tartományra van szükség, az otthoni automatizálási eszközök esetében pedig több tíz méter. A tartomány növelése szinte mindig az energiafogyasztás és így az akkumulátor rövidebb élettartama vagy az adatátviteli időszakhoz kapcsolódó korlátozások rovására történik. A fent említett vezeték nélküli kommunikációs technikák némelyike lehetővé teszi, hogy az eszközök hálót alkothassanak. Ez a megoldás olyan épületek számára kényelmes, ahol sok IoT eszköz működik (otthoni automatizálás, vezeték nélküli érzékelők). A hálóhoz csatlakoztatott eszközök egymással kommunikálhatnak, így növelve a tartományukat.
  • Méretezhetőség – hány vezeték nélküli eszköz működik a telepítés során? Lehetséges-e további eszközök hozzáadása és nem zavarja-e a teljes hálózat működését? Végül a készülékek milliárdjai fognak működni a tárgyak internetes hálózatán, ezért néhány protokollt úgy terveztek meg, hogy lehetővé tegye a legnagyobb számú eszköz együttes működését. Jó példa erre az NB-IoT, egy mobilhálózaton alapuló kommunikációs technika, amely egyidejűleg több mint 50 000 készüléket tesz lehetővé egy cellában.
  • Költségek – az eszközök ára az alkalmazott kommunikációs technológiától függ. Ez főként az adott kommunikációs technika népszerűsége, következésképpen a modulok és a teljes készülékek árainak köszönhető. Ezenkívül a tárgyak internetes eszközeinek bevezetése további költségekkel járhat az internethez való kommunikáció biztosításával. Egyes technológiák (pl. LoRa, ZigBee, Z-Wave) esetében az eszközök kommunikációjának engedélyezéséhez gatewayre van szükség. Olyan eszköz, amely adatokat fogad és más kommunikációs technikákkal (pl. GSM, Ethernet) továbbítja. Más kommunikációs technikák (pl. NB-IoT, Sigfox, LTE-M) esetében a hálózathoz való hozzáférés a szolgáltató díjaival jár (több cent / eszköz / év). Például, ha vezeték nélküli érzékelők hálózatát szeretnénk használni egy épületben a fizikai állapotok megfigyelésére, akkor egy kényelmesebb megoldás lehet olyan megoldás használata, amely gatewayek használatát igényli, de nem tartalmaz minden eszközért fizetendő díjat. Másrészt, sok olyan objektum esetében, ahol például csak a hőmérsékletet figyelik, előnyösebb lehet az NB-IoT hálózat használata. A vezeték nélküli kommunikáció érdekes esete a Bluetooth Low Energy, amellyel az összes okostelefon felszerelhető – ennek köszönhetően, bizonyos esetekben az okostelefon átjáró szerepet tölthet be (pl. Az érzékelő memóriájából történő adatolvasás és az adatok küldése a felhő platformra).

Meghívjuk Önt, hogy olvassa el a cikk következő részeit is, amelyekben részletesen megvitatjuk a konkrét vezeték nélküli kommunikációs technikákat. Arra is meghívjuk Önt, hogy ismerkedjen meg vezeték nélküli NB-IoT loggerekkel és Bluetooth Low Energy loggerekkel.