Komunikacja bezprzewodowa w Internecie Rzeczy 2018/10/15

Internet Rzeczy (ang. Internet of Things – IoT) zmienia nasz świat. W coraz większej liczbie obiektów i miast na całym świecie instalowane są sensory i inne urządzenia  mające dostęp do sieci. Podłączenie “Rzeczy” do sieci i umożliwienie im gromadzenia oraz wymiany danych pozwala znacznie usprawnić istniejące procesy oraz stworzyć zupełnie nowe modele biznesowe. Obecnie najbardziej popularne przypadki zastosowania technologii Internetu Rzeczy to monitorowanie warunków środowiskowych, lokalizowanie obiektów i inteligentne opomiarowanie (ang. smart metering).

Kolejne zastosowania i nowe modele oparte o Internet Rzeczy pociągają za sobą konieczność opracowywania zupełnie nowych technik komunikacji umożliwiających komunikację setek tysięcy urządzeń. W tej chwili kluczowe wyzwania dla technik komunikacji używanych w IoT obejmują:

• Zapewnienie długiego czasu pracę na baterii – wiele urządzeń IoT musi działać bardzo długo, często kilka lat na zasilaniu bateryjnym. Dobrym przykładem jest urządzenie alarmowe wysyłające dane bezpośrednio do straży pożarnej. Jeżeli urządzenie zostanie umieszczone w każdym mieszkaniu, to ze względu na skalę, koszty związane z wymianą baterii w takich urządzeniach będą ogromne.
• Zapewnienie odpowiedniego zasięgu – urządzenie IoT mogą być instalowane w różnych miejscach do których ciężko doprowadzić komunikację kablową – w piwnicach, w odległych gospodarstwach czy w lasach. Dlatego też bardzo istotne jest, aby urządzenia miały dobry zasięg radiowy
• Niski koszt urządzenia i niski koszt instalacji – przewiduje się, że w ciągu najbliższych kliku lat na Ziemi pracować będzie kilka miliardów urządzeń IoT, a Internet Rzeczy będzie kilkakrotnie większy niż Internet. Dlatego ważne jest, aby urządzenia i ich wdrożenie były niedrogie

Techniki komunikacji w Internecie Rzeczy

W tej chwili istnieje co najmniej kilkanaście standardów komunikacji stosowanych do komunikacji pomiędzy urządzeniami Internetu Rzeczy. Wyróżnić można cztery główne grupy standardów komunikacyjnych dla IoT:

• PAN (ang. Personal Area Network) i HAN (ang. Home Area Network) – sieci krótkiego zasięgu, umożliwiające komunikację urządzeń osobistych (np. zegarek sportowy, opaska mierząca jakość snu, monitor rytmu serca) i urządzeń wykorzystywanych w gospodarstwie domowym (np. termostaty, czujniki, automatyka domowa). Urządzenia pracujące w tych sieciach cechują się najniższym poborem mocy, a co za tym idzie najdłuższym czasem pracy na baterii. Zasięg takich urządzeń, w zależności od użytego protokołu komunikacji wynosi od kilku centymetrów (NFC) do kilkudziesięciu metrów (WiFi, ZigBee, Bluetooth Low Energy). Do najpopularniejszych protokołów używanych do komunikacji w PAN i HAN należą: NFC, RFID, Bluetooth Low Energy, ZigBee, WiFi i Z-Wave.
• LAN (ang. Local Area Network) – Sieć obejmująca większą powierzchnię, np. Zakład pracy czy biurowiec. Urządzenia Internetu Rzeczy pracujące w tych sieciach to głównie różnego rodzaju sensory bezprzewodowe, które komunikują się z bramkami (ang. gateway) umożliwiającymi przesyłanie danych do sieci Internet. Komunikacja bezprzewodowa w sieciach LAN wymaga zasięgu kilkudziesięciu do kilkuset metrów. Często stosowanymi protokołami komunikacji w sieciach LAN są WiFi i Bluetooth 5.0.
• WAN (ang. Wide Area Network) – sieć rozległa pokrywająca duży obszar geograficzny. Do niedawna komunikacja bezprzewodowa w sieciach WAN oparta była była jedynie o sieci GSM (2G, 3G, 4G), przez co urządzenia wymagały ciągłego zasilania. Ostatnie lata przyniosły pojawienie się nowej grupy technik komunikacji dedykowanych dla Internetu Rzeczy – LPWAN (ang. Low Power Wide Area Network). Wykorzystując te techniki komunikacji urządzenia mogą wysyłać niewielkie ilości danych na dalekie odległości korzystając jedynie z zasilania bateryjnego. Techniki komunikacji LPWAN są stosowane przez wszelkiego rodzaju sensory, liczniki energii elektrycznej, trackery, a nawet większe urządzenia przesyłające dane diagnostyczne. Do najpopularniejszych technik komunikacji bezprzewodowej z tej grupy należą: LoRA, Sigfox, NB-IoT, LTE-Cat1  i LTE-M. Techniki komunikacji LPWAN są stosunkowo nowe, dlatego ceny modułów komunikacyjnych obsługujących je są wysokie w stosunku do cen modułów obsługujących komunikację na krótkie odległości (ZigBee, BLE, WiFi). Docelowo moduły komunikacyjne LPWAN będą kosztowały nie więcej niż $5, co powinno spowodować popularyzację tych technik komunikacji.

Którą technikę komunikacji bezprzewodowej wybrać?

Każda z technik komunikacji bezprzewodowej ma swoje wady i zalety. Wybierając technikę komunikacji warto dobrać ją odpowiednio do zastosowania urządzenia. Przykładowo, zegarek sportowy monitorujący rytm serca nie musi przesyłać danych na duże odległości, ważne jest natomiast żeby często dokonywał pomiaru i pracował maksymalnie długo bez konieczności wymiany baterii. Z drugiej strony, sensory bezprzewodowe nadzorujące temperaturę w odległych budynkach nie muszą wysyłać informacji co kilka sekund, ważne jest natomiast, żeby ich instalacja była szybka i wygodna, a wymiana baterii konieczna możliwie rzadka.

Wybierając techniką komunikacji bezprzewodowej warto wziąć pod uwagę:

• Zasięg – jeżeli urządzenie ma pracować jedynie lokalnie ważne jest aby zasięg był wystarczający do pokrycia obszaru pracy tego urządzenia. Przykładowo, w przypadku zegarka sportowego wystarczy kilkadziesiąt centymetrów zasięgu, a w przypadku urządzeń automatyki domowej kilkanaście – kilkadziesiąt metrów. Zwiększenie zasięgu praktycznie zawsze jest połączone z większym poborem mocy, a co za tym idzie krótszym czasem pracy na baterii lub ograniczeniami związanymi z okresem transmisji danych. Niektóre z wymienionych technik komunikacji bezprzewodowej umożliwiają urządzeniom formowanie siatki (ang. “mesh”). Rozwiązanie to jest wygodne w przypadku obiektów, w których pracuje wiele urządzeń (automatyka domowa, sensory bezprzewodowe). Urządzenia połączone siatką mogą komunikować się pomiędzy sobą zwiększając dzięki temu zasięg.
• Skalowalność – ile urządzeń bezprzewodowych ma pracować w instalacji? Czy możliwe jest dodanie kolejnych urządzeń i czy nie będzie to zakłócać pracy całej sieci? Docelowo w ramach sieci Internetu Rzeczy pracować będą miliardy urządzeń dlatego niektóre z protokołów zostały zaprojektowane w taki sposób, żeby umożliwić współpracę jak największej liczby urządzeń. Dobrym przykładem jest NB-IoT, technika komunikacji oparta o sieć komórkową, która została zaprojektowana w taki sposób, że w obrębie jednej komórki pracować może ponad 50 000 urządzeń
• Koszty – ceny urządzeń różnią się między sobą w zależności od techniki komunikacji, jaką używają. Wynika to przede wszystkim z popularności danej techniki komunikacji a co za tym idzie cen modułów i całych urządzeń. Dodatkowo, wdrożenie urządzeń internetu Rzeczy może wiązać się z dodatkowymi kosztami związanymi z zapewnieniem komunikacji. W przypadku niektórych technologii (np. LoRa, ZigBee, Z-Wave) żeby umożliwić komunikację urządzeń z innymi urządzeniami Internetu Rzeczy niezbędny jest gateway – urządzenie odbierające dane i przesyłające je z wykorzystaniem innych technik komunikacji (np. GSM, Ethernet). W przypadku innych technik komunikacji (np. NB-IoT, Sigfox, LTE-M) dostęp do sieci wiąże się z opłatami dla operatora (w wysokości kilku złotych / urządzenie / rok). Przykładowo, jeżeli chcemy wykorzystać sieć sensorów bezprzewodowych do monitorowania warunków fizycznych w jednym obiekcie korzystniejszym rozwiązaniem może być zastosowanie rozwiązania, które wymaga zastosowania gatewayów ale nie wiąże się z żadnymi opłatami płatnymi za każde urządzenie. Z kolei w przypadku wielu obiektów, w których monitorowana jest np. tylko temperatura korzystniejsze może być wykorzystanie sieci NB-IoT i brak konieczności instalacji gatewaya. Ciekawym przypadkiem komunikacji bezprzewodowej jest Bluetooth Low Energy, w który wyposażone są obecnie wszystkie smartfony – dzięki temu w niektórych przypadkach smartfon może przejąć rolę gatewaya (np. odczyt danych z pamięci sensora i przesłanie ich do platformy “w chmurze” w celu archiwizacji).
  
  

  Model komunikacji bezprzewodowej NB-IoT

Zapraszamy do przeczytania kolejnych części tego artykułu, w których dokładnie omówimy poszczególne techniki komunikacji bezprzewodowej. Zapraszamy również do zapoznania się z naszą ofertą rejestratorów bezprzewodowych NB-IoT oraz rejestratorów bezprzewodowych Bluetooth Low Energy.