Vítejte, dnes je
středa
25.
prosinec 2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky 
Pokud čtete tento článek on-line, pravděpodobně jste připojeni přes mobilní síť, Wi-Fi nebo ethernet. Zatímco zmiňované metody budou ve světě spotřební elektroniky docela rozšířené, pro uzly internetu věcí (IoT) to zase tak moc neplatí. Na rozdíl od zákazníků většina takových zařízení nekontroluje e-maily (jaké to štěstí) a nelibuje si ani ve zhlížení filmů, takže se obejdou bez vysokých přenosových rychlostí, s nimiž se u spotřební techniky běžně setkáváme.
Řešení ukrytá pod zkratkou IoT mnohdy zahrnují stovky nebo i tisíce propojených zařízení. S rostoucím počtem přidávaných zařízení pak začínají nabývat na významu i typická omezení konkrétního návrhu spojená s cenou a řízením napájení. V takto uvažovaném rozsahu může způsob, jakým se váš produkt připojuje k internetu, rozhodnout o úspěchu, ale také i nezdaru. Návod, který právě čtete, přináší obecný přehled těch nejběžnějších metod připojení vhodných právě pro aplikace internetu věcí. Projděte si jej, zvažte své možnosti a nakonec se i rozhodněte, jak do svého návrhu IoT „vpravit“ ono písmeno „I“.
Obr. 1 Internet věcí (IoT) zahrnuje až stovky, nebo snad i tisíce zařízení připojených do stejné sítě
Ethernet představuje rychlý a spolehlivý způsob, jakým lze připojovat věci k internetu. Často se vyskytuje v automatizačních systémech navržených pro budovy nebo i do průmyslových podmínek a zazáří tak v návrzích čítajících spoustu uzlů v rámci stejné sítě. Vzhledem k pevnému připojení je tato metoda v podstatě velmi bezpečná. Prostřednictvím ethernetu rovněž existuje možnost napájet vaše zařízení přímo po kabelu a využít přitom služeb tzv. PoE (Power Over Ethernet). Samostatný napájecí modul již není zapotřebí.
S pevným připojením se však pojí též výrazná omezení a zcela jistě proto nemusí dávat smysl pro úplně všechny aplikace. Uzly připojené prostřednictvím ethernetu potřebují být nedaleko od routeru. Dokonce i na krátkých vzdálenostech, např. v automatizačních systémech pro domácnosti a budovy, bude ethernetová kabeláž tak „neohrabaná“, že pokládka vodičů a jejich ukrytí představuje nelehký úkol. V moderních objektech jsou již automatizované osvětlovací systémy napevno zapojeny při výstavbě, nicméně instalace ethernetového návrhu internetu věcí v budovách, ve kterých se s něčím takovým nepočítalo, bývá často neproveditelná.
Na naší cestě za internetovým připojením bude bezdrátová povaha sítí Wi-Fi nesmírně přitažlivá. Vše je zeširoka podporováno běžně dostupnými přístroji a netřeba u toho řešit hardwarová omezení ethernetu. Navzdory obecnému rozšíření je však zapracování technologie Wi-Fi do vestavného návrhu obvykle složitou záležitostí. Wi-Fi je lákavá, protože se obejde bez drátů a pracuje rychle. Zmiňované přednosti však dostáváme za cenu bezpečnostních rizik a vyšší proudové spotřeby. Ve výsledku tak budou návrhy IoT založené na Wi-Fi od vývojářů vyžadovat citlivé vyvážení zabezpečení, výkonu a také i ceny.
Dnes již naštěstí máme k dispozici řešení pomáhající inženýrům zdolávat nastíněné překážky. Nasazení Wi-Fi modulu optimalizovaného právě pro internet věcí tak zjednoduší váš návrh a ušetří i čas během vývoje. Moduly, jako je např. WINC1500, jsou plně certifikovány, podporují zabezpečené protokoly a také je máme optimalizovány pro bateriově napájená zařízení. K Wi-Fi se tak lze připojit a neřešit přitom kompromisy v otázce nákladů nebo proudové spotřeby.
Obr. 2 Preferovaná možnost připojení spotřební elektroniky k internetu, Wi-Fi,
představuje výhody v podobě vysokých přenosových rychlostí a také bezdrátového spoje
LPWAN nejsou u spotřebních záležitostí tak rozšířené, takže se o nich zase tolik neví. Nezanedbatelnou část zde přitom tvoří aplikace IoT v rozlehlých oblastech, např. při monitorování okolního prostředí. Krása takového přístupu spočívá ve skutečnosti, že dokážeme sledovat pobřežní či venkovské lokality a nedostupná místa obecně. Problém však spočívá v tom, že jsou taková místa právě u pobřeží, na vesnici anebo v jiné nepřístupné lokalitě. Zařízení plovoucí někde v Mariánském příkopu není možné rychle dobíjet a stejně tak se ani v Mohavské poušti nepřipojíte k Wi-Fi.
V typické síti LPWAN počítáme s dosahem zhruba deset kilometrů. K přenosu dat zde dochází při velmi nízkých rychlostech, nicméně pokud vaše řešení z oblasti internetu věcí nekontroluje e-maily ani nestreamuje videa, bez vysokorychlostního připojení se podle všeho obejde. LPWAN se sice běžně využívají v zemědělských a dálkově řízených aplikacích, ale podmínkou to rozhodně není. Na vzestupu je třeba jejich nasazení ve městech, přičemž jedna z největších komerčních oblastí pro IoT společně s LPWAN zahrnuje v Severní Americe sledování dopravních prostředků.
Obvykle se setkáváme se dvěma protokoly LPWAN, LoRaWAN™ (od „Long Range“ nebo LoRa®) a Sigfox. Jeden z rozdílů zde spočívá v ceně. Sigfox je služba založená na předplatném a funguje podobně, jako je tomu v případě mobilních sítí. Pakliže je Sigfox u vás k dispozici, můžete se připojit přes místního poskytovatele služeb. Díky LoRaWAN se vývojáři zase mohou vyhnout poplatkům na základě vlastní sítě ve stylu „DIY“, ale většina pořád volí infrastrukturu lokálního poskytovatele společně s jeho bránami a za využití platí.
Obr. 3 Oblast zemědělství znamená ideální prostor pro aplikace s LPWAN.
Takové sítě pak mohou pokrývat obrovské lány s opravdu nízkou vlastní spotřebou
Až na vyloženě venkovské a zapadlé oblasti mohou mobilní sítě pokrývat celý svět. Pro vestavné systémy, které něco takového vyžadují, se proto stávají jedinou volbou. Levné to však nebude. Je nutné využít služeb poskytovatele a svou vlastní síť si také nemůžete nastavit bez patřičného souhlasu. Náklady na vestavné součásti a předplatné pro každý z uzlů tak často převažují nad výhodami plynoucími z velkého dosahu mobilních sítí.
Je nutné odlišovat mobilní síť využívanou k připojování „věcí“ od účtu, který jednou měsíčně platíte za svůj telefon. Mobilní sítě určené speciálně pro IoT se objevují s cílem konkurovat LPWAN. Na vzestupu je např. LTE CAT-M. Písmeno „M“ zde odkazuje na „Machine“ (stroj) a půjde o alternativu s nižší rychlostí, cenou a stejně tak i příkonem, která je optimalizovaná právě pro internet věcí. Zatímco za mobilní telefon možná platíte obrovské sumy, v případě CAT-M se pro data v objemu 5 MB dostáváme zhruba na sedm dolarů za měsíc. Dalšími možnostmi mobilního připojení se v rámci IoT stávají CAT-0, CAT-1 a novější NB-IoT (NB jako „Narrow Band“).
S nástupem sítí 5G lze ve světě internetu věcí očekávat další inovace. Vyšší rychlosti by mohly u špičkových aplikací, např. v oblasti autonomních vozidel, znamenat i větší pokrok. Byť za vyšší cenu než u sítí zaměřených na IoT. Pokrytí signálem 5G není zdaleka tak rozšířené jako v případě LTE či 3G, nicméně zvyšuje se. Někteří komentátoři přitom předpovídají, že se v následujících pěti letech možnosti sítí 5G zpřístupní až pro dvacet procent světové populace.
Pokrytí mobilním signálem je v rámci obydlené části světa k dispozici snad ve většině případů. Ale co tehdy, chcete-li propojit věci v nikde nekončících nehostinných lokalitách? Pro aplikace internetu věcí, kdy např. na odlehlém území někde ve světě potřebujete bez přítomnosti mobilního signálu řešit logistiku v přepravě, vhodně poslouží satelitní připojení. Přestože se v důsledku rozvoje družicových technologií očekávala nějaká změna, nasazování satelitních aplikací internetu věcí není zase tak snadné jako v případě jiných variant vzájemného propojení.
Spousta konstelací je na oběžné dráze vyhrazena pro účely obrany, nicméně moduly je možné získat (Iridium®, ORBCOMM®).
Obr. 4 Přestože jsou satelity užitečné, uvážíme-li odlehlá místa na planetě bez pokrytí signálem mobilního operátora, budou v současné době jejich možnosti pro komerční využití IoT omezené
Rozhraní Bluetooth není potřeba nijak zvlášť představovat. Jak Bluetooth Classic, tak i Bluetooth Low Energy (BLE) můžou mít maximální dosah přes 100 metrů, ale běžně se používají u zařízení, která od sebe dělí nanejvýš pár metrů. S rozhraním se každým dnem potkáváme u příslušenství pro naše telefony či počítače – sluchátek, klávesnic, displejů apod. Hodnota rozhraní Bluetooth pro spotřební elektroniku spočívá v jeho nízké spotřebě (mimořádně pak v případě BLE), široké podpoře a také rychlém párování.
Na rozdíl od Wi-Fi se pomocí Bluetooth nepřipojíme rovnou k internetu, ale bude nutné nastavit příslušnou bránu. Taková operace s vlastní bránou sice může některé odrazovat, ale často je přitom tak jednoduchá jako připojování k mobilnímu zařízení, které se rovněž připojuje k Wi-Fi.
Nedávná aktualizace zvyšující dosah Bluetooth tak, že nám poslouží i v domácích sítích, nese označení Bluetooth 5.0. Zatímco Bluetooth Classic a Bluetooth LE se obvykle využijí k propojení zařízení vzdálených od sebe pouze v řádu jednotek metrů, díky Bluetooth 5.0 lze připojit celou domácnost. S těmito rozšířenými předpoklady se proto Bluetooth dostává do oblasti automatizace domácností, osvětlovacích systémů či průmyslových aplikací.
Výše zmiňované metody vzájemné propojitelnosti se odlišují především, pokud jde o snadnou implementaci. Běžně využívané sítě typu Wi-Fi a Bluetooth tak mnohdy budou tím nejjednodušším způsobem, jak vyzkoušet a dále prozkoumat návrhy ze světa IoT. Takové sítě pak nevyžadují výstavbu vlastní brány nebo platby poskytovateli služeb.
Vývojáři mají k dispozici moduly s rozhraním Wi-Fi a Bluetooth určené k výrobě prototypu. Řada z nich pak nabízí rovněž kód řešený jako Open Source nebo návody, jak je i naprogramovat. Nasazení takových modulů se doporučuje právě proto, že z návrhu činí mnohem flexibilnější záležitost. Když pak dojde na změnu v návrhu s požadavkem na jinou síť, můžete modul jen „prohodit“ a nezačínat znovu od píky.
Připojení k internetu je ale pouze jedním dílem „skládačky“ označované jako IoT. Takové systémy totiž musí být chytré, propojené a do třetice i zabezpečené. Co to v praxi znamená? Tři elektronické součástky: mikrokontrolér (MCU), modul řešící připojení a také bezpečnostní prvek. Náročný úkol při návrhu systému IoT pak spočívá právě v zapracování těchto tří součástí. Vhodným příkladem zjednodušené vývojové platformy s rozhraním Wi-Fi se stává vývojová deska AVR-IoT WG od firmy Microchip. Řešení je už dopředu nakonfigurováno tak, aby se dokázalo spolehlivě připojit k platformě Google Cloud pro internet věcí. Společně s bezpečnostním prvkem, Wi-Fi kontrolérem a také MCU, všemi na jediné desce, lze proto během vývoje přeskočit spoustu jinak nezbytných úkolů a dostat se až k tomu, na čem doopravdy záleží. K inovacím a rychlému uvedení produktu ze světa IoT na trh.
Obr. 5 Vývojová deska AVR-IoT WG byla již předem nakonfigurována k bezpečnému připojení do Google Cloudu
Chytrost, propojitelnost a zabezpečení může rovněž skloňovat Arduino Uno WiFi Rev 2. Arduino přitom znamená aktivní komunitu s řadou návodů a také kódů (Open Source) dostupných on-line. Když se pak řekne MikroElektronika click boards™, budeme tím rozumět moduly sloužící k rychlému návrhu prototypu, které připojíme rovnou k vývojové desce AVR-IoT WG nebo prostřednictvím shieldu pro Arduino Uno WiFi Rev 2. Díky několika dostupným deskám řešícím otázku propojitelnosti, včetně řady modulů LoRa či Bluetooth, nabízí zmiňované nástroje skvělou možnost, jak ve fázi návrhu prototypu vyřešit otázku konektivity i ve vašem návrhu určeném pro IoT.
Obr. 6 Destičku BLE2 click od společnosti MikroElektronika snadno využijete v řadě univerzálních vývojových platforem
Díky „přívětivě“ řešeným nástrojům, jako jsou Arduino nebo vývojová deska AVR-IoT WG, nebyl vývoj zařízení pro internet věcí nikdy tak názorný jako právě nyní. Ať již tedy budete vývojářem díky své profesi, bastlířem, nebo jen se zápalem sledujete blogy věnované elektronice, do výstavby sítě pro IoT se můžete s klidem pustit i vy. Výše nastíněná rychlá dostupnost odkazující na stále větší měrou propojený svět zajistí, že potřeba vzájemné komunikace nasměruje další kroky opravdu nebývalým způsobem.
