Nie tylko Wi-Fi - standardy komunikacji bezprzewodowej w IoT

Według definicji Internet Rzeczy to cyfrowa sieć tworzona przez połączone ze sobą przedmioty, zarazem łącząca się ze światem fizycznym. Stwierdzenia tego po raz pierwszy użył Kevin Ashton, brytyjski przedsiębiorca, który w 1999 r. zapoczątkował nurt IoT. Innymi słowy, Internet Rzeczy możemy opisać jako połączone ze sobą urządzenia, które są w stanie zbierać dane, analizować je oraz dzielić się nimi z innymi urządzeniami.

Przykładem może być inteligentny system wentylacji i ogrzewania w dużym przedsiębiorstwie. Rozsiane po całym obiekcie czujniki zbierają dane dotyczące warunków środowiskowych panujących podczas procesów produkcyjnych, a także w biurach czy magazynach. Połączone z nimi sterowniki central wentylacyjnych, promienników podczerwieni i kotłów reagują na zebrane dane, dostosowując w czasie rzeczywistym swoje parametry, tak aby utrzymywać temperaturę, wilgotność czy poziom tlenu zgodnie z przyjętymi w fabryce normami.

Jak działa IoT?

Ekosystem IoT zbudowany jest z inteligentnych urządzeń obsługujących konkretny typ komunikacji, najczęściej bezprzewodowej – takich jak mikrokomputery, czujniki i sprzęt komunikacyjny, do gromadzenia danych, wysyłania ich i działania na nich. Urządzenia Internetu Rzeczy udostępniają gromadzone przez siebie dane, łącząc się z innymi, nadrzędnymi systemami w celu ich analizy i przetworzenia. Urządzenia nadrzędne mogą komunikować się także z pozostałymi elementami zbierającymi dane, po to, aby wspólnie stworzyć ogromny wspólny system IoT. Sprzęty wchodzące w skład Internetu Rzeczy wykonują większość pracy bez ingerencji człowieka, chociaż ludzie mogą wchodzić z nimi w interakcje – np. konfigurować je, wydawać im instrukcje lub uzyskiwać dostęp do danych.

Jak komunikują się urządzenia IoT?

Urządzenia IoT połączone są ze sobą zazwyczaj poprzez sieć WI-FI. Jest to bardzo wygodne rozwiązanie, ale czasami taki typ komunikacji stanowi przerost formy nad treścią. Poza tym zdarza się, że uruchamiany sprzęt nie jest w zasięgu żadnej sieci. Wówczas musimy skorzystać z innego typu komunikacji. Dlatego poza najpopularniejszymi protokołami komunikacji w sieciach IoT, warto poznać również bardziej niszowe rozwiązania.

Wi-Fi w instalacjach IoT

 

Fot. 1. W ofercie firmy TME znajduje się wiele modułów Wi-Fi i Bluetooth

Absolutnym hegemonem, jeśli chodzi o sposoby komunikacji między urządzeniami IoT, jest wspomniane już Wi-Fi. Typowe połączenie Wi-Fi do wymiany danych wykorzystuje fale radiowe o określonych częstotliwościach – najpopularniejszymi są 2,4 GHz oraz 5 GHz, ale coraz częściej pojawia się też 6 GHz, które zapewnia aż 1200 MHz przepustowości. Z WI-FI korzystają zazwyczaj najbardziej zaawansowane elementy mogące wchodzić w skład systemu IoT – smartfony, komputery i mikrokomputery. Najpopularniejszymi modułami wspierającymi standard Wi-Fi są z pewnością ESP8266 oraz ESP32.

Bluetooth

To jeden z najczęściej używanych protokołów komunikacji krótkiego zasięgu. Urządzenia komunikujące się z tym interfejsem mogą przesyłać dane na odległość od 1 do nawet 100 m, zależnie od klasy mocy. Jest to parametr ściśle powiązany z zasięgiem, określający moc wyjściową nadajnika.

Istnieją trzy klasy mocy:

• klasa 1 – moc 100 mW (20 dBm), maksymalny zasięg wynosi 100 m;
• klasa 2 – moc 2,5 mW (4 dBm), maksymalny zasięg to 10 m;
• klasa 3 – moc 1 mW (0 dBm), maksymalny zasięg wynosi 1 m.

Bluetooth to standardowy protokół Internetu Rzeczy, który jako nośnik danych, podobnie jak Wi-Fi, wykorzystuje fale radiowe (zazwyczaj o częstotliwości 2,4 GHz). Jest on stosunkowo bezpiecznym standardem komunikacji, idealnym do mobilnych rozwiązań, w których niekoniecznie potrzebujemy wysokiej przepustowości danych. Charakteryzują go niewielki zasięg i mała moc. Warto też wspomnieć o BLE, czyli Bluetooth Low Energy. To niskoenergetyczna wersja protokołu Bluetooth, która szczególnie chętnie wykorzystywana jest w branży IoT, głównie w niewielkich urządzeniach zasilanych bateryjnie.

Ethernet

 

Fot. 2. Sieci Ethernet wymagają podłączenia przewodów

System IoT to nie tylko komunikacja bezprzewodowa. Urządzenia IoT mogą do komunikacji wykorzystywać również powszechnie znany przewodowy typ połączenia, jakim jest Ethernet. Nie jest to najwygodniejsze rozwiązanie, ponieważ do urządzenia musi być podłączony przewód, a jego poprowadzenie może być tu i ówdzie problematyczne. Są jednak miejsca, w których oparcie nowej sieci IoT właśnie na takim standardzie komunikacji będzie bardzo łatwe. Mowa tutaj o większych przedsiębiorstwach i fabrykach, w których zazwyczaj wszystkie obszary już wcześniej były wyposażone w przewodowe połączenie sieciowe. Chcąc nieco unowocześnić firmę, można w prosty sposób wdrożyć urządzenia Internetu Rzeczy, bazujące właśnie na połączeniu typu Ethernet.

NFC

Jednym z protokołów komunikacji IoT jest też NFC. To sieć o niewielkiej przepustowości i mocy, wykorzystywana do wymiany danych na niewielkich odległościach, zazwyczaj do ok. 4 cm. Ze względu na swoją specyfikę ten typ komunikacji wykorzystywany jest w dość specyficznych warunkach i sytuacjach, np. przy płatnościach zbliżeniowych. NFC można wykorzystać również w systemach kontroli dostępu połączonych w większą sieć Internetu Rzeczy.

ZigBee

 

Fot. 3. Płytki rozszerzające to wygodny sposób na rozbudowę sieci IoT

To protokół transmisji danych podobny do Bluetooth. Używany jest głównie w warunkach przemysłowych. Tutaj również do przesyłania danych wykorzystywane są fale radiowe o częstotliwości 2,4 GHz. ZigBee charakteryzuje się niewielkim poborem energii, małą przepustowością (do 250 kbps) oraz dość sporym zasięgiem, nawet do 100 m. Choć ten standard ma już swoje lata, to jego cechy czynią go idealnym rozwiązaniem do aplikacji IoT. Warto tutaj wspomnieć o topologii siatki (mesh), na której bazuje ZigBee. Oznacza to, że sieć jest łatwa w budowie i konserwacji, ponieważ podłączone do niej urządzenia łączą się ze sobą w sposób bezpośredni, dynamiczny i niehierarchiczny. Innymi słowy, każde urządzenie łączy się z innymi, dostępnymi w zasięgu urządzeniami, dzięki czemu sieć organizuje się samodzielnie.

Telefonia komórkowa

Urządzenia Internetu Rzeczy mogą z powodzeniem przesyłać dane poprzez radiowe sieci komórkowe GSM, 4G/LTE i 5G. Będzie to szczególnie pożądana opcja, zwłaszcza jeśli chcemy wysyłać informacje na duże odległości. Trzeba jednak pamiętać, że transmisja komórkowa jest dość prądożerna, dlatego projektując tego typu rozwiązania IoT, powinniśmy wziąć pod uwagę stały dostęp zasilania lub komunikację tylko w określonym i ograniczonym czasie, co jednak dyskwalifikuje sieć komórkową z systemów czasu rzeczywistego. Mimo tego sieci komórkowe mają jedną dość ważną zaletę – zasięg. Dzięki dostawcom sieci komórkowych urządzenia IoT korzystające z tego rozwiązania mogą obecnie zostać umieszczone praktycznie w każdym miejscu.

LoRaWAN

LoRaWAN to jedna z popularniejszych technologii IoT, skierowana przede wszystkim do urządzeń, w których liczy się zużycie energii. Protokół ten charakteryzuje się niskim poborem mocy i niewielką prędkością transmisji (od 0,3 do 50 kbs). Implementacja technologii LoRaWAN jest wskazana zwłaszcza w niewielkich, nierzadko mobilnych urządzeniach zasilanych akumulatorowo. Przykładem są czujniki poziomu wody rozmieszczane na terenie kopalni odkrywkowej. Rozsiane po terenie całego kompleksu urządzenia łączą się z centralną bazą, która może być oddalona od nich nawet o kilka kilometrów. Komunikacja ta jest zazwyczaj jednokierunkowa, czyli czujnik przesyła dane do bazy, najczęściej kilka razy na dobę.

Niestety, takie rozwiązanie uniemożliwia podgląd danych na żywo, ale dzięki temu umieszczony w terenie czujnik pobiera znacznie mniej energii i może być zasilany akumulatorowo.

 

Fot. 4. Bramka sieciowa obsługująca LoRaWAN

Sigfox

Jednym z ciekawszych rozwiązań IoT jest też standard komunikacji Sigfox, podobny nieco do LoRaWAN, choć w gruncie rzeczy oba rozwiązania różnią się dość znacząco. Sigfox pozwala odbierać dane z bardzo wielu urządzeń, przy czym nie muszą być one na stałe podłączone do sieci. Umieszczony w terenie sprzęt wysyła niewielkie ilości danych, a pojedyncza ramka to maksymalnie 26 bajtów. Do komunikacji wykorzystywane są częstotliwości radiowe – w Europie i na Bliskim Wschodzie jest to 868 MHz, natomiast w Ameryce Północnej 902 MHz.

Jedną z kluczowych zalet Sigfox stanowi fakt, że pracujące z nim urządzenia nie są na stałe powiązane z żadną stacją bazową – wysyłają dane w eter, dzięki czemu odbierane są one przez znajdującą się aktualnie w zasięgu bazę. Poza tym Sigfox opiera się na działaniu w chmurze – oznacza to, że wszelkie obliczenia wykonywane są w jednostkach centralnych. Zadaniem urządzeń w terenie jest tylko zebranie danych z czujników i wysłanie ich do sieci, dzięki czemu do działania potrzebują one niewiele energii i mogą być zasilane akumulatorowo.

 

Fot. 5. Moduł Sigfox z oferty MikroE

Z-Wave

Jest to wschodzący protokół komunikacji bezprzewodowej IoT, przeznaczony dla urządzeń automatyki domowej. Z-Wave to technologia komunikacji radiowej o niskim poborze mocy, działająca w paśmie poniżej 1 GHz, zdolna do obsługi maksymalnie 232 urządzeń jednocześnie. Główne obszary zastosowań tego typu komunikacji stanowią elementy automatyki domowej, takie jak inteligentne lampy i czujniki.

Zastosowanie urządzeń internetu rzeczy

Internet Rzeczy pomaga ludziom żyć oraz pracować efektywniej i wygodniej. Urządzenia tego typu mogą być wdrożone niemal w każdym aspekcie naszego życia. W warunkach domowych jesteśmy w stanie w prosty sposób stworzyć system inteligentnych czujników i elementów wykonawczych połączonych z asystentem głosowym. Od teraz, wydając jedno polecenie, możemy uruchomić oświetlenie, zasłonić okna lub zmienić panującą w pomieszczeniu temperaturę.

Urządzenia IoT są też niezwykle przydatne dla przemysłu. Poza wspomnianym już wcześniej zarządzaniem warunkami środowiskowymi panującymi w danym obiekcie, Internet Rzeczy może posłużyć do kontrolowania procesów produkcyjnych czy zarządzania logistyką magazynu. Dobrze zbudowany system IoT pozwala dokładnie kontrolować, co dzieje się w fabryce. Wydajność maszyn, przestoje, łańcuch dostaw, operacje logistyczne – wszystkie te dane mogą być zebrane i zapisane, a na ich podstawie da się jeszcze bardziej zoptymalizować działanie przedsiębiorstwa.

Co może być częścią IoT?

Częścią IoT może być praktycznie każde urządzenie, a ograniczenia stawia jedynie wyobraźnia. Wszystko potrafi być na swój sposób smart: inteligentne czujniki wysyłające dane do chmury; sterowane z poziomu aplikacji termostaty; kamery, których obraz jesteśmy w stanie śledzić, będąc na drugim końcu świata; żarówki, w których kolor emitowanego światła zmienimy za pomocą zegarka. Świat urządzeń IoT ciągle rośnie. Już teraz, wg danych, w ramach tej koncepcji działa ponad 20 miliardów urządzeń i jedno, czego możemy być pewni, to, że liczba ta będzie stale się zwiększać.

Tekst opracowany przez Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.

TME
www.tme.eu