Poprawnie dobrana łączność niezbędna do efektywnego Internetu Rzeczy

Internet Rzeczy (IoT) szybko zmienia Świat, w którym żyjemy. Obecnie do sieci podłączonych jest zdecydowanie więcej komunikujących się ze sobą urządzeń niż ludzi żyjących na całej planecie. I wszystko wskazuje na to, że liczba tych urządzeń będzie szybko rosła, wraz z pojawianiem się nowych aplikacji.

Z definicji wynika, że każde z tych urządzeń musi być w stanie komunikować się, gdyż w przeciwnym wypadku nie można było by go nazwać „połączonym z innymi”. Wraz z rozwojem protokołów komunikacyjnych oraz potrzebnego do tego sprzętu, rosną możliwości dalszej ewolucji IoT. Jednakże taka różnorodność aplikacji i ogromna liczba dostępnych protokołów sprawiają, że wkroczenie do świata łączności w IoT może być zniechęcające dla niektórych osób.

W niniejszym artykule technicznym, pracownik firmy Murata Europe przyjrzy się temu, jak kluczowe technologie komunikacyjne ewoluowały by spełnić złożone, a czasem bardzo ambitne potrzeby rynku IoT. Pokazuje też rozwiązania sprzętowe, które znacząco ułatwiają projektowanie.

O ile wiele oszacowań co do rozmiaru świata IoT może być podważanych, nie ma wątpliwości, że na Świecie działa obecnie więcej połączonych ze sobą urządzeń, niż żyje ludzi. Firma Cisco ocenia, że moment, w którym liczby te się zrównały nastąpił w okolicach 2004/2005 roku. Od tego czasu tempo rozwoju urządzeń wzrosło, wraz z pojawieniem się coraz nowszych smartfonów, aplikacji noszonych, modernizacją miast, domów, fabryk i samochodów.

Wiodąca firma badawcza, Gartner, szacuje, że do końca 2018 roku na Świecie będzie funkcjonować ponad 11 miliardów połączonych ze sobą urządzeń, a do 2020 roku liczba ta się niemal podwoi i osiągnie 20 miliardów. Wraz z nią rosną obroty firm zajmujących się tą dziedziną, ale warto zaznaczyć, że powinny teraz wzrastać w wolniejszym tempie, gdyż należy się spodziewać coraz silniejszej presji cenowej oraz pojawienia się prostszych i tańszych urządzeń, podłączanych do sieci.

Dobieranie protokołów komunikacyjnych IoT

Wybierając protokół komunikacyjny adekwatny do tworzonej aplikacji, trzeba wziąć pod uwagę szereg czynników. Ponieważ wiele z urządzeń IoT jest zlokalizowanych w odległych miejscach, tak by mogły zbierać dane, kluczowy wpływ ma zasięg komunikacji. Odległe rozmieszczenie węzła komunikacyjnego sprawia, że ważny będzie także pobór mocy, szczególnie jeśli jedynym jej źródłem ma być bateria. Konieczność częstej wymiany baterii może bowiem być bardzo dużą wadą danego rozwiązania.

O ile w bardzo wielu przypadkach, urządzenia IoT przesyłają jedynie małe pakiety danych, pochodzące z niedużych sensorów, w niektórych aplikacjach, takich jak systemy wizyjne, znaczenie będzie miała duża przepustowość interfejsu komunikacyjnego.

Ilustracja 1: Rozważenie kilku ważnych kryteriów pozwoli ułatwić wybór protokołu komunikacyjnego do IoT

Pod uwagę należy wziąć też rozmiar sieci; niektóre protokoły są w stanie obsłużyć dziesiątki, czy nawet setki jednoczesnych połączeń, podczas gdy inne dobrze sobie radzą tylko z kilkoma naraz.

Potrzeba natywnej obsługi protokołu IP (lub jej brak) również przyczyni się do wykluczenia lub wzięcia pod uwagę określonej grupy standardów. Natomiast popularność danego rozwiązania da projektantowi pewność, że na rynku dostępna będzie odpowiednia liczba komponentów i oprogramowania oraz adekwatne wsparcie techniczne, by prace projektowe mogły przebiegać pomyślnie.

W przypadku rozwiązań na krótki zasięg, Bluetooth i Wi-Fi wydają się być najbardziej popularnymi technologiami i każda z nich ma różne cechy i inne zalety, odpowiadające odmiennym rodzajom aplikacji IoT.

Bluetooth

Bluetooth to wyjątkowo popularny protokół komunikacyjny, obsługiwany przez praktycznie każdy smartfon i tablet. W ostatnich latach protokół ten ewoluował, wprowadzając nowe funkcje, które sprawiły że lepiej nadaje się do aplikacji IoT. Bluetooth 4.0 (czasem nazywany mianem „Bluetooth Smart”) wprowadził ideę przesyłania małych pakietów danych przed wchodzeniem w tryb uśpienia, a przez to znacząco redukuje całkowite zużycie mocy. Jest to bardzo korzystne w zastosowaniach IoT, jako że rzadko kiedy czujniki wolno zmieniających się wartości środowiskowych potrzebują ciągłego przesyłania strumieni danych.

Po sparowaniu ze sobą dwóch urządzeń Bluetooth Low Energy (BLE), połączenie jest zachowane, ale uśpione. To zmniejsza zapotrzebowanie na energię oraz sprawia, że tak naprawdę nie trzeba wyłączać danego urządzenia, w odróżnieniu od wcześniejszych wersji Bluetootha. BLE zawiera także wiele usprawnień w zakresie bezpieczeństwa, włączając w to bezpieczne parowanie, zabezpieczenie przed atakami typu man-in-the-middle, szyfrowanie AES-128 oraz zestaw standardowych profili, które pozwalają na szybki rozwój aplikacji.

Dalsze, stopniowe innowacje sprawiły, że w wersji 4.1 wprowadzono lepsze zarządzanie mocą, a w wersji 4.2 usprawniono łączność i 10-krotnie zwiększono pojemność pakietów, a przepustowość – 2,5-krotnie.

Najnowsza inkarnacja, Bluetooth 5.0 została wprowadzona w 2016 roku i również stanowiła krok milowy w zakresie funkcji przydatnych w aplikacjach IoT. W porównaniu do Bluetooth 4.2, dwukrotnie zwiększono przepustowość (do 2 Mb/s, przy czym narzuty dodatkowych danych ograniczają rzeczywistą przepustowość danych użytecznych do 1,6 Mb/s) i 4-krotnie powiększono zasięg, dzięki czemu teoretycznie urządzenia powinny móc się komunikować na odległość do 300 metrów. W Bluetooth 5.0 można zwiększać zasięg kosztem przepustowości, co oznacza, że w rzeczywistości, na zewnątrz budynków, gdy nic nie stoi na przeszkodzie w torze radiowym, powinno dać się uzyskać zasięg 200 m.

Warto dodać, że w 2013 roku wprowadzono obsługę sieci rozproszonej typu Scatternet, w której węzły mogą być konfigurowane jako urządzenia nadrzędne lub podrzędne. Natomiast możliwość pracy w topologii kraty pozwoliła znacząco rozszerzyć potencjalny zakres transmisji, poprzez korzystanie z węzłów pośredniczących do przekazywania pakietów.

Wi-Fi

Jeśli dana aplikacja wymaga większych przepustowości, w ramach transmisji na odległość dziesiątków metrów, jednym z najbardziej popularnych wyborów będzie Wi-Fi. Biorąc pod uwagę ogromną liczbę urządzeń z wbudowaną obsługą Wi-Fi, transceivery tego standardu są łatwo dostępne, a ich koszty spadają. Proste routery, takie jak używane w domach i biurach, mogą pracować jako bramki internetowe, bez potrzeby sięgania po jakikolwiek specjalistyczny czy własnościowy sprzęt.

Wi-Fi oryginalnie pracowało w paśmie 2,4 GHz, ale ostatnio ta przestrzeń radiowa stała się zatłoczona przez takie protokoły jak Bluetooth i ZigBee. Wprowadzenie drugiego pasma, 5 GHz, pozwala na wykorzystanie mniej zatłoczonego spektrum, co zwiększa niezawodność połączenia. Ma to szczególne znaczenie tam, gdzie konieczna jest ciągła, szybka transmisja danych.

W rezultacie tego szybkiego rozwoju i mnogości rozwiązań, na rynku pojawiło się wiele różnych, dostępnych jednocześnie wersji Wi-Fi. Nawet jeśli wiele aplikacji – w tym te wymagające relatywnie dużej przepustowości – mogłoby z powodzeniem korzystać ze starszych generacji Wi-Fi, zazwyczaj najkorzystniej jest sięgnąć po któryś z najnowszych protokołów, taki jak np. 802.11ac. Przełączanie się na obsługę starszej wersji protokołu może bowiem spowolnić działanie całej sieci, w której działa takie urządzenie IoT. Natomiast w wersji 802.11ac, dzięki wykorzystaniu wielu anten, możliwa jest do osiągnięcia przepustowość na poziomie przynajmniej 1 Gb/s w paśmie 5 GHz i każdy kompatybilny router powinien móc ją utrzymać wraz z dowolnym zgodnym urządzeniem IoT.

Rozwiązania wieloprotokołowe

Jako że koszt dodania obsługi Bluetootha do urządzenia wspierającego już Wi-Fi jest marginalny, coraz bardziej powszechne staje się, że sprzęt IoT obsługuje oba z nich. Nie tylko czyni to aplikację bardziej elastyczną w użyciu, ale też ułatwia instalację i konfigurację.

Przykładowo, urządzenie wspierające Bluetooth, takie jak smartfon lub tablet, wraz z odpowiednią aplikacją, może podłączyć się do węzła IoT i skonfigurować go bez konieczności mierzenia się ze złożonością Wi-Fi. Gdy konfiguracja jest zakończona, wystarczy zrestartować węzeł IoT by podłączył się do Wi-Fi i zaczął normalnie pracować.

Modułowe rozwiązanie na potrzeby Wi-Fi i Bluetootha

Ultra-mały moduł Murata Type 1DX wspiera komunikację WLAN poprzez Wi-Fi w paśmie 2,4 GHz oraz interfejs Bluetooth. Bazuje na układzie Cypress CYW4343W, który zawiera wysoce skuteczne obwody radiowe, zapewniające pracę przy małym poborze mocy. Dzięki temu idealnie nadaje się do aplikacji IoT.

Ekranowana, modułowa budowa ma wymiary jedynie 6,95 mm x 5,15 mm x 1,1 mm i dzięki temu, że nie wymaga żadnych zewnętrznych komponentów, stanowi niezmiernie małe, lekkie rozwiązanie. W rzeczywistości, projektanci musza jedynie dodać antenę, źródło zasilania, procesor i obsługę interfejsu, by uzyskać kompletne rozwiązanie, wspierające wiele protokołów radiowych.

Ilustracja 2: Moduł Wi-Fi i Bluetooth Murata 1DX

Producent dostarcza projekt referencyjny anteny, którego wykorzystanie pozwala projektantom zaoszczędzić czas i zmniejszyć koszty, jako że mogą założyć zgodność z wymaganiami FCC/IC, JAPAN Telec i RED na potrzeby certyfikacji CE, bazując na istniejących testach akceptacyjnych.

Czas wprowadzenia produktu na rynek również się skraca dzięki wsparciu dla systemów Linux i Android, oraz dzięki możliwości skorzystania z narzędzi programistycznych Cypress WICED.

Podsumowanie

O ile wybór i rozwój protokołu komunikacji radiowej dla IoT może początkowo wydawać się żmudnym zadaniem ze względu na dużą liczbę istniejących standardów, już rozważanie kilku prostych kryteriów pozwala znacząco ograniczyć proces decyzyjny.

Modularne rozwiązania, takie jak Murata 1DX tym bardziej upraszczają zadanie projektowania poprzez zintegrowanie dużej liczby funkcji w małym, energooszczędnym module, który wymaga bardzo niewielu zewnętrznych komponentów, by zbudować kompletny projekt.

Dzięki elastycznemu oprogramowaniu, łatwo-dostępnym narzędziom programowym, projektom referencyjnym anten oraz wstępnej zgodności z międzynarodowymi standardami, koszty projektowania i czas wprowadzenia na rynek znacząco maleją, jeśli tylko projektanci zechcą wybrać takie podejście.