Prezentarea generală a tehnologiei wireless pentru IoT

Internetul obiectelor (IoT) este atât cunoscut, cât și necunoscut în lumea modernă. Este un termen comun pentru persoanele din industria tehnologică și din lumea corporatistă, dar este rar auzit de populația generală, deși face parte din viața de zi cu zi a acesteia. IoT reprezintă conectivitatea obiectelor fizice, cum ar fi dispozitivele, vehiculele, clădirile, electronicele și rețelele, ceea ce le permite să interacționeze, să colecteze și să facă schimb de date. Se aplică pentru milioane de lucruri diferite, inclusiv la produse tradiționale actualizate care, anterior, nu erau conectate la internet.

Acest articol va examina numeroasele moduri în care aceste dispozitive pot comunica printr-o conexiune wireless.

Trei modalități de transmitere a datelor în cloud

Una dintre provocările IoT este transmiterea datelor de la senzorul dispozitivului în cloud, unde sunt utilizate, procesate și stocate. Utilizarea omniprezentă a conexiunii Wi-Fi și Bluetooth prin intermediul telefoanelor inteligente, împreună cu disponibilitatea pe scară largă a turnurilor de telefonie mobilă și a punctelor de acces public la Wi-Fi, oferă senzorilor IoT un acces la cloud mai bun ca niciodată. Există trei modalități de bază de a transfera datele în cloud.

De la senzor la gateway la cloud. În unele aplicații este optimă trimiterea datelor senzorilor către un gateway care transmite apoi datele în mod eficient către cloud. În funcție de necesitățile aplicației, gateway-ul poate varia de la simple sisteme de releu la platforme „inteligente” care îndeplinesc funcții care necesită putere de calcul mai mare, numite „edge processing”. De obicei, dispozitivele precum senzorii de parcare și senzorii de utilizare a birourilor se bazează pe gateway-uri pentru a transmite datele. Wi-Fi este un exemplu de gateway. Pentru utilizarea la domiciliu, trebuie să instalați un gateway Wi-Fi. În locațiile publice în care gateway-ul este deja instalat, Wi-Fi funcționează direct în cloud. Alte tipuri de comunicații wireless, cum ar fi Bluetooth, necesită un gateway. Un exemplu de Wi-Fi în casă este Hatch Baby Grow, un suport inteligent pentru schimbarea scutecelor și un cântar conectat. Acesta utilizează Wi-Fi pentru a transmite datele de la cântarul suportului pentru schimbarea scutecelor la conexiunea de internet din casă. Părintele și medicul pediatru pot urmări informațiile bazate pe cloud prin intermediul unei aplicații Android sau iOS.

De la senzor la telefonul mobil la cloud. În unele cazuri, gateway-ul poate fi un telefon mobil. Telefoanele inteligente cu funcții Wi-Fi sau Bluetooth acționează ca gateway-uri pentru a trimite date în cloud. De exemplu, Voler a contribuit la dezvoltarea unor căști care monitorizează echilibrul persoanelor în vârstă. Acestea dispun de transmisie wireless Bluetooth LE către un telefon inteligent, pe care este instalată o aplicație asociată. De asemenea, datele sunt trimise în cloud de pe telefonul inteligent, unde pot fi procesate suplimentar, iar apoi pot fi partajate.

De la dispozitivul inteligent direct în cloud. Senzorul se poate conecta direct la cloud folosind tehnologii precum NB-IoT, LTE-M sau LoRa. Aceste tehnologii transmit pe kilometri întregi la o putere foarte mică, atâta timp cât rata de transmisie a datelor este redusă. Acestea se conectează la internet prin intermediul unor echipamente instalate, de obicei, în turnurile de telefonie mobilă. Ele funcționează în același mod ca și telefoanele mobile, cu excepția faptului că viteza de transmisie a datelor și puterea sunt mult mai mici. Există o taxă lunară, dar aceasta este, în general, foarte mică.

Factorii care trebuie luați în considerare în planificarea unei strategii de comunicare wireless IoT includ: cât de multe date vor fi transferate, cât de departe este sursa de date de internet, câtă energie este necesară și cât de ridicat este costul serviciului, dacă este cazul. Utilizarea pe scară largă a telefoanelor inteligente și posibilitatea de a alege între standardele radio Wi-Fi sau Bluetooth oferă o conectivitate foarte convenabilă. Standardele mai noi, cum ar fi NB-IoT și LTE-M, oferă mai multe opțiuni pentru viitorul internet al obiectelor.

De ce sunt necesare tehnologii noi?

IoT este încă în evoluție. Cu fiecare iterație, consumul de energie este mai mic, comunicarea fără fir este mai îndelungată și caracteristicile sunt mai bune. Noile dispozitive pot profita de noua tehnologie și pot oferi performanțe mai bune.

Ce trebuie luat în calcul în ceea ce privește compromisurile

De fiecare dată când Voler proiectează un dispozitiv portabil sau orice alt dispozitiv cu baterii, clienții cer ca acesta să:

• Funcționeze pentru o perioadă lungă de timp
• Transmită multe date pe distanțe mari
• Aibă o baterie mică

Pentru aceste cerințe concurente există compromisuri. Ingineria este despre compromisuri. Luați în considerare funcționalitatea necesară a sistemului și faceți compromisurile tehnice necesare pentru a asigura o performanță optimă în funcție de cerințele sistemului. Este important ca, în același timp, utilizatorul să aibă parte de o experiență satisfăcătoare. Rezultatul este un design cu cele mai bune compromisuri între numeroasele opțiuni.

Considerații privind compromisurile

Voler a lucrat recent cu un start-up pentru a îmbunătăți durata de viață a bateriei produsului lor conectat. Acesta s-a bazat pe impModule™ de la Murata cu un procesor Arm® și un emițător-receptor Wi-Fi. Aveau nevoie de o autonomie a bateriei de mai multe săptămâni, iar aceasta a fost de mai puțin de o săptămână după realizarea prototipului. Voler a revizuit codul pentru a îndeplini durata de viață necesară a bateriei. Codul original nu funcționa așa cum trebuia.

În transmisia wireless, trebuie gestionate trei aspecte: puterea necesară pentru transmisie, rata de transmisie a datelor și intervalul de transmisie. Alegerea standardului wireless potrivit este importantă. Consultați tabelul de mai jos atunci când selectați un standard wireless pentru dispozitivul IoT proiectat. Tabelul enumeră standardele wireless comune utilizate pentru dispozitivele IoT, împreună cu caracteristicile acestora.

Tabelul 1: standardele wireless comune și capacitățile acestora. (Sursă tabel: Voler)

Diferitele standarde wireless necesită niveluri foarte diferite de putere. Puterea necesară depinde de viteza de transmitere a datelor și de raza de transmisie. De exemplu, dacă ne referim la Tabelul 1, un dispozitiv poate avea nevoie de o putere de 120 mW pentru a transmite 100 de biți de date pe secundă pe un kilometru, folosind LTE Cellular. Însă, dacă se utilizează Bluetooth LE pentru a transmite la 1 metru, un dispozitiv poate avea nevoie de o putere de numai 0,15 mW.

Comparație între standardele IoT wireless

Tabelul 2: o comparație a standardelor IoT wireless. (Sursă tabel: Voler)

Cerințe de alimentare pentru opțiunile wireless populare

În cazul în care un dispozitiv trebuie să transmită date la o distanță de până la 10 metri, BLE și Bluetooth sunt suficiente. Dar dispozitivele IoT pentru uz industrial și comercial, cum ar fi gestionarea stocurilor sau dispozitivele portabile pentru monitorizarea stării de sănătate, pot necesita comunicații cu rază mai mare de acțiune, cum ar fi NB-IoT sau LTE-M. Dacă un dispozitiv trimite multe date, cum ar fi o cameră video, BLE nu poate face față. Este necesară utilizarea opțiunilor de mare putere, cum ar fi Wi-Fi și LTE.

Pe de altă parte, protocoalele celulare wireless NB-IoT și LTE-M permit dispozitivelor IoT să transmită date către locații îndepărtate la putere redusă. Același lucru este valabil și pentru SigFox, care poate transmite date până la 50 de kilometri. Dar, spre deosebire de standardele celulare cu o rată mare de date, SigFox poate transmite doar 300 de biți de date pe secundă.

Rețea privată vs. rețea publică

O rețea privată are un gateway instalat și controlat de un furnizor pentru un utilizator sau un număr limitat de utilizatori. O rețea publică are un gateway pe care îl pot utiliza mai mulți utilizatori care plătesc o taxă lunară. Un exemplu este serviciul de telefonie mobilă.

Rețelele publice necesită instalarea unei infrastructuri, cum ar fi turnurile de telefonie mobilă. Telefoanele mobile sunt populare și pot fi deplasate cu ușurință datorită instalării pe scară largă a turnurilor de telefonie mobilă. SigFox și LoRa au o infrastructură limitată în SUA, astfel că un dispozitiv care utilizează această tehnologie nu ar funcționa în majoritatea locurilor. LoRa are opțiunea unei rețele private prin intermediul unui gateway.

În 2019, instalarea infrastructurii pentru NB-IoT și LTE-M a depășit punctul de acoperire pentru 90% din populația Statelor Unite. Aceasta se apropie de disponibilitatea acoperirii celulare. Deși există de ani de zile, în sfârșit, această tehnologie poate fi utilizată în dispozitive noi. Infrastructura există și în majoritatea țărilor mari din lume. Așteptați-vă la o creștere rapidă a utilizării NB-IoT și LTE-M. Sigfox și LoRa sunt mult în urmă în ceea ce privește instalarea infrastructurii publice.

Mai jos se prezintă un rezumat al opțiunilor private și publice de acces wireless:

Privat

• Ambele capete ale comunicării sunt proprietate privată
• Poate fi instalat oriunde
• Spectru fără licență
• Costul de instalare a stațiilor de bază și a punctelor finale
• Fără taxă lunară

Public

• Rețea deținută de furnizor – de exemplu, rețeaua celulară
• Funcționează numai acolo unde există stații de bază
• Roaming simplu
• Spectru licențiat
• O taxă lunară pentru utilizarea rețelei

Când se va îmbunătăți tehnologia bateriilor?

Dacă bateriile ar fi mai bune, aceste compromisuri ar fi mai simple. Stocarea chimică a energiei se apropie de limita eficienței sale. Cu toate acestea, se fac multe cercetări privind îmbunătățirea densității și a siguranței.

Dacă bateriile ar fi progresat la fel ca semiconductorii în ultimii 50 de ani, am fi avut o baterie de mărimea unei gămălii de ac, care ar costa o nimica toată și care v-ar putea alimenta mașina. Este inutil să mai spunem că această tehnologie nu este deloc apropiată și nici nu va fi vreodată. Prin urmare, dispozitivele sunt limitate de spațiul necesar pentru stocarea chimică a energiei.

Bateriile din prezent reprezintă aproximativ 10% din ceea ce este cel mai avansat sistem de stocare a energiei chimice, care ar fi ceva de genul benzinei. Cu toate acestea, benzina are o problemă legată de siguranță. O altă opțiune mai eficientă este energia nucleară, dar, din nou, ar fi o problemă de siguranță, ca să nu mai vorbim de problemele de portabilitate. În viitor, vor exista îmbunătățiri treptate ale bateriilor, dar schimbările vor fi lente.

Considerații privind costurile

Mulți producători de dispozitive IoT investesc prea puțin în securitate pentru a-și menține produsele la un preț accesibil și pentru a accelera timpul de lansare pe piață. Integrarea securității în timpul etapei de dezvoltare poate crește semnificativ costurile și timpul de dezvoltare. Cu toate acestea, construirea de dispozitive IoT cu o securitate IoT slabă poate avea consecințe mult mai dăunătoare nu doar pentru clienți, ci și pentru marca producătorului – în ceea ce privește pierderea de productivitate, amenzile legale/de conformitate, reputația afectată și pierderile monetare.

Standardul wireless ales pentru dispozitivele IoT poate influența în mod semnificativ performanța, capacitatea de utilizare, securitatea și fiabilitatea acestora. Standardul cel mai potrivit pentru un dispozitiv IoT depinde de aplicația acestuia. Cunoașterea scopului dispozitivului poate ajuta la determinarea cerințelor cheie pentru construirea acestuia, cum ar fi cantitatea de energie de care are nevoie pentru a funcționa în mod eficient, cât de repede trebuie să transmită date și cât timp trebuie să funcționeze bateria.

Echipa de experți pentru dezvoltarea de dispozitive IoT de la Voler System îi poate ajuta pe proiectanți să aleagă standardul wireless potrivit pentru dispozitivele IoT. Contactați acum un expert IoT pentru a afla mai multe despre alegerea standardului wireless potrivit pentru orice proiect de dispozitiv IoT.