česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 11. srpen 2022

Bezdrátové technologie pro internet věcí

DPS 5/2018 | Zajímavosti - články
Autor: Ing. Milan Klauz

I když všechna zařízení připojená k internetu věcí (Internet of Things − IoT) vysílají a přijímají data bezdrátově, nedělají to stejným způsobem. Pro potřebné propojení existuje více možností, přičemž některé jsou pro danou aplikaci lepší než jiné. Mezi faktory, které to ovlivňují, patří například nároky na zdroj energie, dosah, požadavky na výkon, rychlost přenosu dat a další. K dispozici je několik bezdrátových vf technologií, které mohou být použity pro potřeby internetu věcí a komunikace mezi stroji (Machine-to- Machine − M2M). Některé z nich jsou obecně známé, jiné nikoli. Jaké jsou tedy možnosti a čím se jednotlivé bezdrátové technologie liší?

Obr. 1 Bezdrátové připojení v IoT

Wi-Fi

Wi-Fi připojení patří mezi nejznámější prostředky bezdrátové komunikace, kdy se zařízení propojují pomocí vf rádiových vln. I když se o Wi-Fi mluví nejvíce v souvislosti s připojením počítačů, tabletů a mobilních telefonů k internetu, může sloužit k vzájemnému propojení jakýchkoliv dvou zařízení. Řídí se standardem IEEE 802.11 od Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), přičemž se jedná o bezdrátovou komunikaci s nízkým výkonem v kmitočtovém pásmu 2,4 GHz nebo 5 GHz. Centrálním bodem komunikační sítě typu star (hvězda) je router, který ve většině případů zajišťuje dosah až 100 metrů. Podle konfigurace umožňuje připojit až 250 klientů najednou. Mnoho zařízení IoT již tuto techniku využívá, zatímco další nárůst připojení se očekává v souvislosti se zaváděním 5G sítí.

Výhodou Wi-Fi bezdrátové techniky je její snadná integrace, možnost připojení i mimo běžné pracovní prostředí v případě propojení s veřejnou sítí a snadné rozšiřování sítě při přidávání dalších klientů.

Nevýhodou Wi-Fi bývá malý dosah v případě rozsáhlých struktur připojených zařízení, možná interference ze strany jiných rádiových signálů, problémy se zabezpečením a relativně nízká rychlost připojení. Závažným problémem pro vývojáře je ovšem skutečnost, že software pro Wi-Fi a TCP/IP je poměrně komplexní – to sice není problémem pro zařízení s výkonným procesorem, např. počítače, ale drobná zařízení připojená do IoT potřebným výkonem nedisponují. Tento problém řeší až některé nové součástky a moduly s embedded Wi-Fi a TCP/IP softwarem, které navíc umožňují výhodněji napájet zařízení z baterií.

Bluetooth a BLE

Bluetooth [2] a Bluetooth Low Energy (BLE) jsou bezdrátové technologie používané pro přenos dat na krátkou vzdálenost. I když jsou nejznámější v souvislosti s mobilními telefony a tablety, mohou být použity v mnoha dalších aplikacích. Původně byl Bluetooth řízen standardem IEEE 802.15.1, který už ale není udržován. I tak se ale USB výrobky i nadále certifikují, aby byla zajištěna jejich vzájemná návaznost. Bluetooth využívá rovněž pásmo 2,4 GHz podobně jako Wi-Fi, ale vyznačuje se některými zásadními rozdíly, které ho předurčují pro zabudování do embedded zařízení. Bluetooth technika umožňuje připojení na krátké vzdálenosti, zhruba do 10 metrů, protože se k přenosu dat používá velmi malý výkon. Vyžaduje spárování obou připojených zařízení, což zabraňuje interferenci jiných zařízení v okolí. Přenos dat rychlostí do 2 Mbps a až 8 připojených zařízení definuje jeho možné použití.

Bluetooth Low Energy používá k přenosu dat ještě méně energie než standardní Bluetooth a je tak používán tam, kde je potřeba výrazně šetřit baterii jako zdroj energie. Zatímco se nehodí pro telefonování, je využíván pro přenos dat, například u průmyslových snímačů, lékařských přístrojů atd. I když pracuje také v pásmu 2,4 GHz, není kompatibilní s klasickým Buetooth − používá 40 kanálů širokých 2 MHz, zatímco klasický Bluetooth má 79 kanálů širokých 1 MHz.

Obr. 2 Bluetooth připojení

Prognózy pro rok 2018 počítají s prodejem téměř 4 miliard Bluetooth zařízení, což řadí tuto komunikační techniku na přední místo v použití v rámci IoT [2].

ZigBee

V tomto případě se jedná o otevřený standard navržený aliancí Zigbee Alliance, která sdružuje více než 400 firem. Tato bezdrátová komunikace [3] byla navržena specificky pro použití v M2M sítích, kde se vyžaduje přenos pouze malých objemů dat při rychlosti 250 kbps a připojení do cloudu. Používá rovněž pásmo 2,4 GHz, přičemž ZigBee protokol nabízí 128bitové šifrování a umožňuje připojení několika zařízení dohromady ve smíšené (mesh) síti. Její velmi šetrný provoz šetří baterii.

ZigBee má dosah až 100 metrů a může být ještě zvětšen použitím smíšených sítí zařízení, které se chovají jako nodes a předávají data dále. ZigBee sítě mohou být různě velké a nabízí díky šifrování vysokou úroveň zabezpečení v porovnání s dalšími druhy bezdrátové komunikace v IoT.

LoRaWAN

Tato zkratka představuje Long Range Area-Wide Networks komunikační protokol (IEEE 802.15.4g ), který byl vytvořen cíleně pro IoT aplikace v rozsáhlých sítích. Umožňuje komunikaci IoT zařízení v sítích s centrálním serverem při malých rychlostech přenosu dat 0,3−50 kbps. Využívá nelicencované kmitočty pod 1 GHz.

V porovnání s ostatními bezdrátovými technikami je velmi bezpečný, protože přenáší šifrovaná data na různých kmitočtech a s různými přenosovými rychlostmi.

LoRaWAN [4] má mnoho aplikací v průmyslu a v oblasti chytrých domů či měst, mimo jiné také díky svému dosahu kolem 20 km.

Obr. 3 Dveřní zámek od Schlage ovládaný přes Z-Wave

Z-Wave

Bezdrátová komunikační technologie Z-Wave [5] (Z-Wave Alliance ZAD12837 / ITU-T G.9959) není obecně příliš známá, i když je v IoT velmi oblíbená, zejména při propojení domácích spotřebičů a zařízení. Z-Wave je speciální protokol vytvořený pro domácí automatizaci a připojení k IoT. Nejznámější příklad použití Z-Wave je Echo od Amazonu. Celkem je k dispozici více než 2 tisíce produktů využívajících Z-Wave, které umožňují propojit jednotlivé části chytrých domů, od garážových dveří přes hlásiče požáru a ventilátory až po žaluzie, dveřní zámky a termostaty topení.

Z-Wave systémy mívají dosah až 30 metrů a pracují na bezlicenčních kmitočtech pod 1 GHz.

Další komunikační technologie

Kromě výše zmíněných komunikačních technologií existuje ještě celá řada dalších, méně známých, např.:

6LoWPAN (IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks) umožňuje velmi malým zařízením s nízkým příkonem komunikovat přímo s jakýmkoliv serverem nebo zařízením s IP (ethernet nebo Wi-Fi) na internetu.

Wireless HART a Wireless IO Link pracují v pásmu 2,4 GHz a jsou určeny pro průmyslové aplikace, zejména v prostředí s vysokou úrovní elektromagnetické interference. Vyžadují přístup k IP sítím.

Sigfox poskytuje úzkopásmovou síť pro potřeby komunikace IoT aplikací, jako je vzdálené snímání dat, při kterém se nepravidelně přenáší malé objemy dat. Jedná se o cenově dostupné řešení, které navíc šetří baterii. Sub-1 GHz kmitočty bez licencí, jako jsou například 433 MHz, 868 MHz a 915 MHz, umožňují vytvoření vlastních komunikačních protokolů pro průmyslové aplikace, které potom běží pomocí vysílačů a přijímačů.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik