Każdego dnia miliardy osób łączą się za pomocą swoich smartfonów, laptopów czy tabletów z globalną siecią internetową, ale zdecydowana większość z nich nie kojarzy terminu IoT, choć stanowi on część ich codziennego życia.
Czym właściwie jest IoT, czyli Internet of Things? To koncept, w którym wszystkie urządzenia elektroniczne są podłączone do Internetu i potrafią komunikować się wzajemnie. Zaczynając od najprostszych sensorów i urządzeń smart home, aż po bardziej skomplikowane jak smartfony czy laptopy, a kończąc na samochodach i ogromnych przemysłowych maszynach. Jego zastosowania są bardzo szerokie. Wręcz wykładniczy rozwój technologii w tym zakresie pozwala stwierdzić, że w zasadzie ogranicza nas własna wyobraźnia. Jednak pojawia się pytanie, jak dobrać technologię do danego rozwiązania?
W tej serii artykułów postaramy się na nie odpowiedzieć i przyjrzymy się wielu sposobom komunikacji w świecie IoT.
Czas wysłać dane do chmury
Projektując nowe rozwiązanie, które wykorzystuje technologie bezprzewodowe, inżynierowie dobierają je pod względem zużycia energii, szybkości, typu i bezpieczeństwa wysyłanych danych oraz rzecz jasna – kosztu modułów i transmisji. Wszystkie wymienione czynniki są równie istotne. Końcowa decyzja jest bardzo trudna. Wymaga wielu godzin analizy, a często nawet testów i pracy badawczo-rozwojowej. IoT to nie tylko sieci bezprzewodowe. Tego typu technologie dostarczają inżynierom najwięcej wyzwań, dlatego przyjrzymy się im dokładniej.
Można wyróżnić trzy podstawowe systemy bezprzewodowego przekazywania danych do chmury.
Gateway – brama agregująca dane
W pierwszym rozwiązaniu czujnik (zazwyczaj zasilany bateryjnie) wysyła dane do bramy/gatewaya, który pełni rolę platformy agregującej dane i przesyłającej dalej do chmury. Takie rozwiązanie jest zazwyczaj dość kosztowne, ale jednocześnie najbardziej efektywne. Sensory w tym systemie są w stanie pracować bardzo długi czas na baterii. Dzięki gateway’owi podłączonemu bezpośrednio do Internetu system jest bardzo responsywny. Brama jest także w stanie wzbudzić urządzenia będące w uśpieniu, a tym samym zmniejszyć zużycie energii. Ten sposób przekazywania danych znalazł szerokie zastosowanie w systemach home automation, a najczęściej wykorzystywanymi technologiami są tu Wi-Fi, ZigBee, Z-Wave oraz Thread.
Smartfony i ich kluczowa rola w IoT
W drugim rozwiązaniu mamy do czynienia z sytuacją, gdy to smartfon stanowi formę bramy łączącej czujnik ze światem. Najczęściej wykorzystywanymi technologiami są tu Bluetooth Low Energy oraz NFC. Urządzenia wyposażone w te interfejsy charakteryzują się bardzo niskim poborem prądu. Zdecydowana większość smartfonów posiada oba te systemy co sprawia, że bez problemu można wykorzystać je jako medium łączności z chmurą.
Technologie radiowe nowej generacji
Trzeci system nie zawiera w sobie żadnego proxy, a dane są wysyłane bezpośrednio z czujnika do chmury. Stosuje się tu technologie takie jak LTE-M, NB-IoT czy LoRa. Wielką zaletą tych rozwiązań jest właśnie brak gatewaya. Dodatkowo, takie urządzenia potrafią przesyłać dane na bardzo długie odległości. LTE-M oraz NB-IoT łączą się z Internetem za pomocą stacji BTS, zaś zasada działania LoRy jest oparta o sieć gatewayów. Niestety wadą dość niska prędkość transmisji oraz mała przepustowość danych.
Jeden, by wszystkimi rządzić, jeden, by wszystkie odnaleźć…
Powyższy cytat z Władcy Pierścieni z pewnością ma swoje odzwierciedlenie w opisanych trzech systemach. Jednak co jeśli jeden gateway nie jest wystarczający do zapewnienia zasięgu na całym obszarze działania systemu i tym samym do poprawnej wysyłki danych?
Wtedy do gry wchodzi technologia mesh, czyli sieć kratowa.
Coraz częściej zdarza się, że projektanci systemów nie są w stanie zapewnić dostępu do Internetu na całym obszarze, który chcą pokryć.
W tym rozwiązaniu urządzenia mogą przyjąć rolę node’a (węzła) lub endpointa (urządzeń końcowych). Węzły łączą się z gatewayem. Przekazują dane między sobą, tak aby zmaksymalizować zasięg sieci. Zazwyczaj są one zasilane przewodowe lub mają duże akumulatory, ponieważ ich funkcja wiąże się z wyższym zużyciem energii. Endpointy to sensory lub urządzenia wykonawcze, które ze względu na ograniczenia energetyczne nie mogą pełnić funkcji node’a. Dzięki temu w meshu może występować wyłącznie jedna brama jako jedyne peryferium podłączone do Internetu, które dodatkowo nie ma łączności z każdym nodem i endpointem. Działanie tej sieci przybliża poniższy rysunek.
Jedno uniwersalne podejście w IoT?
Podsumowując powyższe rozwiązania nie można stwierdzić, że jeden z systemów jest lepszy od drugiego. Za każdym razem przy projektowaniu systemu komunikacji bezprzewodowej IoT należy wziąć pod uwagę ilość i rodzaj przesyłanych danych, odległość źródła danych od urządzenia podłączonego do Internetu, zapotrzebowanie na energię oraz koszt modułów i utrzymania. Ważne jest także, by nie zapomnieć również o bezpieczeństwie!
Kompromisy, kompromisy i jeszcze raz kompromisy…
Gdybyśmy mieli zdefiniować idealne urządzenie IoT to jakie ono by było? Pewnie powinno być bezprzewodowe, nadawać i odbierać duże paczki danych oraz nieprzerwanie działać na baterii przez wiele miesięcy, a nawet lat. No dobrze, a teraz wróćmy na ziemię…
Życie to sztuka kompromisu. Nie inaczej jest w przypadku doboru odpowiedniej technologii do naszej aplikacji.
IoT = trudne wybory
Przede wszystkim od razu trzeba pogodzić się z tym, że zazwyczaj jedna technologia jest niewystarczająca do pokrycia zastosowań przy zaawansowanych projektach. Musimy również zdać sobie sprawę, że im bardziej skomplikowany protokół, tym większe wymagania względem mocy i pamięci. Ponadto, im większy zasięg transmisji, tym większy pobór mocy. Właśnie z perspektywy wielu inżynierów największym obecnie blokerem upowszechnienia się urządzeń IoT jest ich zasilanie. Rozwój w zakresie baterii i magazynowania energii stanął w miejscu i zbliża się do granicy swojej wydajności. Pomimo wielu badań nad wyższą gęstością akumulatorów nadal nie udało się osiągnąć dużego postępu. W przeciwieństwie do przypadku energooszczędności procesorów, gdzie właśnie w ten sposób w ostatnich latach uzyskuje się dłuższy czas pracy na baterii.
Nie należy zapominać również o podatności na zakłócenia. Weźmy na tapet trzy popularne protokoły komunikacyjne używane w zastosowaniach home automation: WiFi, ZigBee oraz Z-Wave. W tym gronie zwycięzcą, jeśli chodzi o najmniejsze zakłócenia jest Z-Wave, który działa na częstotliwości 908 MHz, a więc na znacznie mniejszej niż WiFi i ZigBee – 2,4 GHz. Ponadto wzmacnia sygnał przez przesyłanie pakietów danych przez inne urządzenia działające w tym samym systemie. Podobnie funkcjonuje ZigBee, który w tym zestawieniu zajmuje drugie miejsce. Na ostatniej pozycji, jeśli chodzi o zakłócenia znalazło się WiFi. Należy jednak wziąć pod uwagę, że w większości przypadków zastosowanie tej technologii nie wiąże się z zakupem przez konsumenta żadnej dodatkowej centrali sterującej. Zazwyczaj większość użytkowników domowych posiada router.
Hybryda – najlepsze rozwiązanie
Powyższy przykład doskonale pokazuje, że projektując urządzenie lub cały system zwraca się uwagę na wiele aspektów, a jego funkcje muszą być dogłębnie przeanalizowane, tak aby zaprojektowane urządzenie działało w optymalny sposób. Najczęściej zatem spotyka się rozwiązania, które są hybrydą kilku standardów komunikacji, ponieważ ciężko wybrać jeden, który zaspokoi wszystkie potrzeby. Dlatego w kolejnych częściach artykułu przyjrzymy się bliżej konkretnym technologiom, ich specyfikacją oraz zastosowaniom, tak aby przybliżyć, z jakimi konkretnie problemami mierzą się inżynierowie projektujący systemy IoT.
