Svetelektro.com

Svetelektro.com

Meno:
Heslo:

Ako sa zorientovať vo svete IoT

Kategória: VF technika | 22.03.2018 | Autor: zawin 

Svet IoT môže trochu pripomínať Kolumbovu ženu, stalo akýmsi kľúčovým slovom o ktorom sa čoraz viac hovorí a píše, ale konkrétne aplikácie zatiaľ moc nevidieť.


V tomto článku sa pokúsime napraviť to. Ukážeme si, čo nové z pohľadu komunikácie tieto siete prinášajú a aké nové segmenty z hľadiska aplikácii to môže priniesť.

 

Čo je IoT?

 

 

V prvom rade je potrebné zadefinovať, čo sa chápe pod pojmom IoT - Internet vecí. Má zahŕňať zariadenia, spotrebiče a veci, ktoré sú nejakou formou pripojené na internet.

 

Keďže toto slovo je marketingovo veľmi sexy, výrobcovia zariadení sa ho snažia zakomponovať takmer všade. Tento pojem sa používa v spojení od inteligentnej chladničky, ktorá si sama vie objednať chýbajúce potraviny až po inteligentné mestá, kde vďaka IoT senzorom bude život krajší a jednoduchší.

 

S pojmom IoT veľmi úzko súvisia komunikačné siete, ktoré sú priamo pre takéto zariadenia optimalizované. O tom, aké sú hlavné rozdiely týchto komunikačných sieti oproti tým, ktoré tu boli doposiaľ  si povieme v nasledovných riadkoch.


 

Základné porovnanie IoT sietí

 

Čo teda nové a prevratné tieto nové IoT siete prinášajú?

 

Uvediem jeden príklad za všetky: Predstavte si, že chcete spraviť malé zariadenie - teplomer, ktorý chcete umiestniť niekde vonku a chcete ho napájať z batérie. Chcete dosiahnuť, aby zariadenie posielalo v pravidelných intervaloch svoju teplotu cez internet priamo k vám na server, kde už budete dáta ukladať a zobrazovať. Ideálne, aby zariadenie vydržalo aspoň pár rokov prevádzky pri tejto konfigurácii.

 

Pri štandardných sieťach, ktoré tu boli doposiaľ by ste asi siahli po GPRS alebo 4G LTE module, ktorý by prenos dát do internetu zabezpečil. Avšak po chvíli by ste takmer určite narazili na tieto obmedzenia:

  • Špičkový odber modulu pri komunikácii je veľmi veľký (až 2A) a batéria, ktorá má byť čo najmenšia nedokáže dodať potrebný prúd pre stabilnú komunikáciu. Pri nízkych teplotách sa tento problém ešte znásobuje

  • Spotreba komunikačného modulu je veľmi veľká (prúd x komunikačný čas) a nedokáže zabezpečiť prevádzku zariadenia po dobu niekoľkých rokov pri malej batérii.


 

Práve tieto uvedené problémy sa snažia riešiť nové komunikačné technológie určené pre IoT. Ich hlavným cieľom je výrazne eliminovať energiu potrebnú na komunikáciu avšak na úkor veľmi nízkej rýchlosti komunikácie. Hlavné rozdiely medzi týmito sieťami sú uvedené v Tab. 1

 

Typ siete

GPRS resp. LTE

LoRa

SigFox

NB-IoT

Špičkový prúdový odber

2 A

100 mA

50 mA

220 mA

Energia na odoslanie 8 B správy [Ws]

> 20*

0,54

1,08

0,45**

Životnosť batérie 5 Ah (10 správ denne)

300 dní

~ 10 rokov

~ 10 rokov

~ 10 rokov

Dĺžka komunikačného okna (timeonair)

1-10 sec

1 - 2,5 sec

6 sec

1 - 10 sec**

Link-budget

130 dB

154 dB

151 dB

150 dB

Vysielací výkon

až 2W

25 mW

25 mW

200 mW

Tab. 1 - porovnanie bezdrôtových sietí

*  počíta sa ako energia potrebná pre registráciu do siete + energia na poslanie 8B dát

** platí pre dobré pokrytie signálom a použitie release assistance
 

Poštová schránka:

Komunikácia v smere od senzora na server je definovaná ako uplink a v opačnom smere na senzor ako downlink. Je nutné si uvedomiť, že senzor je v prípade IoT sieti považovaný ako master, čo sa týka komunikácie. Nemôžete teda senzoru poslať príkaz v ľubovoľnom čase. Funguje tu akýsi princíp poštovej schránky - na network serveri môžete zanechať správu, ktorú si senzor prevezme bezprostredne po odvysielaní uplink telemetrie. Na toto obmedzenie treba myslieť pri návrhu takéhoto zariadenia.

 

Hlavné výhody IoT komunikácie teda sú:

  • Veľmi dobre pokrytie resp. veľký dosah zariadení (dosiahli sme slovenský rekord 600km!)

  • Veľmi nízka spotreba potrebná pre komunikáciu

  • Malý špičkový odber zariadenia počas vysielania správy

 


Nevýhody IoT komunikácie:

  • Nízka komunikačná rýchlosť (jednotky b/s)

  • Malé objemy dát na správu (LoRa = 50 B, SigFox = 12 B, NB-IoT = 512 B)

  • Koncové zariadenie riadi komunikáciu (princíp poštovej schránky)

  • Vyššia latencia spojenia (jednotky sekúnd)


 

Možnosti IoT sietí

 

Na trhu existuje množstvo rôznych IoT sietí, ktoré sa snažia navzájom konkurovať. Len trom z nich sa podarilo výraznejšie presadiť. Sú to siete LoRa, SigFox a NB-IoT o ktorých si povieme viac.

 

LoRaWAN

Prvou z menovaných je sieť LoRaWAN postavená na komunikačnom protokole LoRa. Je to otvorený štandard komunikácie, ktorý spravuje LoRa-Alliance.Teda ak máte dostatok skúseností, môžete si vyrobiť vlastné brány aj zariadenia pracujúce na tejto technológii.

Výrobca čipov, ktorý implementuje komunikačný protokol LoRa je spoločnosť Semtech. Tieto čipy sú následne implementované do komunikačných modulov mnohých výrobcov.

 

Komunikačné moduly dajú rozdeliť na 2 typy:

  • Komunikačné moduly obsahujúce komunikačný stack (dajú sa ovládať jednoducho AT príkazmi)

  • Komunikačné moduly obsahujúce iba rádiovú časť (treba implementovať komunikačný stack (LoRaMAC resp. LMIC) na strane mikrokontroléra)

 

Sieť LoRaWAN sme zaregistrovali ako prvú lastovičku na poli IoT sietí na Slovensku a v Čechách. V súčasnosti ju na Slovensku poskytujú s rôznym pokrytím operátori Slovanet, ČRA (České rádiokomunikace) a Antik. V Čechách poskytuje perfektné pokrytie už spomínané ČRA.

Komunikácia prebieha v Európe v ISM pásme 868 MHz.

 

Výhody LoRaWAN:

  • Otvorený protokol

  • Nízka cena komunikačných modulov (bez stacku)

  • Výborná energetická efektívnosť komunikácie

 

Nevýhody LoRaWAN:

  • Náročnejšia implementácia (v prípade modulu bez stacku)

  • Siete väčšinou len na národnej úrovni - problematický roaming

  • Bezlicenčné pásmo

 

SigFox

 

 

Sieť Sigfox vznikla vo Francúzsku s cieľom poskytovať konektivitu celosvetovo. Na národnej úrovni existujú operátori, ktorí zabezpečujú pripojenie v rámci krajín. Na Slovensku a v Čechách je to operátor SimpleCell. Roaming však medzi jednotlivými národnými operátormi nie je problém, takže znamená to, že so zariadením môžete cestovať po celej EÚ a v prípade pokrytia signálom máte konektivitu do siete.

 

Komunikačné moduly pre Sigfox vyrába množstvo výrobcov. Za väčšiu pozornosť stojí modul Wisol  WSSFM10R1, ktorý je veľmi obľúbený vďaka jeho malým rozmerom a nízkej cene.

 

Výhody SigFox:

  • Roaming

  • Pokrytie v SR a ČR

  • Nízka cena komunikačných modulov

 

Nevýhody Sigfox:

  • Vyššia spotreba energie oproti LoRaWAN (viď Tab. 1)

  • Dlhší timeonair (6s oproti LoRa 2,5 sec)

  • Malý objem dát na správu - 12 B

  • Bezlicenčné pásmo

 

NB-IoT

Najnovším prírastkom do rodiny IoT sietí je NB-IoT. Táto sieť vznikla modifikáciou LTE siete určenej pre mobilný internet (Cat. 4). Zúžila sa šírka pásma z pôvodných 20 MHz na 200 kHz a tým klesla komunikačná rýchlosť, ale zlepšilo sa pokrytie siete o cca 20 dB. Znamená to, že signál prenikne aj do deep-indoor, čo môže zabezpečiť pokrytie v podzemných garážach, šachtách alebo pivniciach.

 

V súčasnosti túto sieť na Slovensku spúšťa operátor Slovak Telekom - momentálne je dostupné pokrytie v mestách Bratislava, Trnava a Nitra. V Čechách spustil celonárodne pokrytie operátor Vodafone CZ  v októbri minulého roka a udáva, že tým zabezpečil 100% pokrytie územia ČR signálom a 94% pokrytie vo vnútri budov.

 

Čo sa týka používaných frekvencií, v EÚ sa prevažne využíva LTE pásmo B20. Pri výbere modulu treba preveriť kompatibilitu s týmto pásmom.

 

 

Komunikačné moduly pre sieť NB-IoT sú dostupné hlavne od firiem uBlox a Quectel a to konkrétne moduly SARA-N210 a BC95-B20. Komunikácia s modulmi prebieha prostredníctvom AT príkazov cez sériovú linku. Pri tomto type siete nepotrebuje žiaden medzičlánok v podobe network servera, ale dáta si môžete posielať priamo prostredníctvom UDP paketov na váš server.


 

Release assistance:

Na začiatku testovania NB-IoT to so spotrebou nevyzeralo vôbec dobre. Komunikácia medzi koncovým zariadením a serverom zbehla relatívne rýchlo, modem však zostal “visieť” ďalších 10 - 20 sekúnd v sieti so spotrebou 50 mA. Tým pádom sa celková spotreba dramaticky zvýšila a veľmi sa odlišovala od spotreby ostatných IoT sietí.

Odpoveďou na tento problém je release assistance, ktorý ukončí komunikáciu buď ihneď po odoslaní správy, alebo bezprostredne po prijatí downlink správy zo strany servera. Tieto údaje sú popísané v AT commands a realizujú sa prostredníctvom príkazu AT+NSOSTF.


 

Výhody NB-IoT:

  • Roaming

  • Licenčné pásmo

  • Väčší objem dát na správu (512 B)

  • Veľmi dobrá spotreba porovnateľná s LoRaWAN pri dobrom pokrytí signálom

 

Nevýhody NB-IoT:

  • Spotreba energie potrebnej na komunikáciu nie je konštantná a závisí od pokrytia a ďalších faktorov

  • Drahšie komunikačné moduly

  • Väčšie prúdové špičky počas vysielania (220 mA)

 

Slovenské IoT riešenia

 

Na Slovensku sa o IoT a smart technológiách nielen rozpráva, ale existujú už aj niektoré technologické riešenia a aplikácie, ktoré boli kompletne vyvinuté na Slovensku. Za všetky spomeniem riešenia firiem GOSPACE Tech s.r.o. a SENSONEO j. s. a., ktoré sme spoznali najdetailnejšie.

 

SPOT - Smart Parking Organization Technology

 

Ide o riešenie firmy  GOSPACE Tech s.r.o.  využívajúce inteligentné parkovacie detektory, ktoré komunikujú prostredníctvom sietí LoRa, Sigfox a NB-IoT. Tieto parkovacie detektory dokážu s viac ako 99% úspešnosťou vyhodnotiť obsadenosť daného parkovacieho miesta.

Jednou z aplikácii je ich použitie v inteligentných mestách (smart cities), kde vďaka nim je možné navigovať vodičov na voľné parkovacie mesta, čím sa znižuje čas potrebný na nájdenie voľného parkovacieho miesta a zároveň sa zníži produkcia emisií v meste.

Ďalšou funkcionalitou, ktorá je v príprave, je autorizácia parkovania pre rezidentské zóny postavená na tzv. iPermit elektronických kartách, ktoré nahradia doposiaľ vydávané rezidentské karty. Tie sa rádiovo spoja s parkovacím detektorom a autorizujú parkujúce vozidlo.

 

Smart Waste management

Firma Sensoneo je dodávateľom komplexných riešení pre manažment odpadov, ktoré mestám a spoločnostiam umožňujú optimalizovať náklady, zvyšovať ohľaduplnosť k životnému prostrediu a zlepšovať kvalitu života.

 

Ich senzory sú založené na ultrazvukovej technológii, sú robustné, vodeodolné a nárazu vzdorné, pričom ich výdrž dosahuje až 10 rokov. Sú uspôsobené na 100%-né fungovanie v širokom teplotnom zábere a nastavené na meranie do hĺbky 150 - 400cm, v závislosti od typu senzora.

 

Okrem výšky odpadu merajú aj teplotu v kontajneri a jeho GPS pozíciu a sú tiež vybavené najnovšou technológiou BLE. Senzory môžu byť na požiadanie vybavené signalizáciou v prípade požiaru a kontrolou vertikálnej pozície, ktorá upozorní na prípadné prevrátenie kontajnera. Na rýchly prenos dát využívajú senzory siete GSM, NB-IoT, LoRaWAN, SIGFOX a 4GLTE. Výdrž senzorov zabezpečujú vysoko výkonné vymeniteľné batérie, pričom zákazníka pravidelne informujú o miere ich nabitia.

 

Záver

 

Máme tu záver článku. Verím, že vám tento článok pomohol zorientovať sa vo svete IoT. Taktiež verím, že sme vás presvedčili, že sa na Slovensku o IoT nielen rozpráva, ale už existujú aj hotové aplikácie, ktoré je možné okamžite aplikovať do praxe.

 

 

12.07.2009

Príjem meteo-snímkov (časť 3.)

 18467   13  Hodnotenie: 4.4Hodnotenie: 4.4Hodnotenie: 4.4Hodnotenie: 4.4Hodnotenie: 4.4

10.04.2012

UHF SDR rádio

 24077   4  Hodnotenie: 4.9090909090909Hodnotenie: 4.9090909090909Hodnotenie: 4.9090909090909Hodnotenie: 4.9090909090909Hodnotenie: 4.9090909090909

Priemerné hodnotenie: 0
Hlasov: 0

Zvoľte počet hviezdičiek:
Vynikajúci
Veľmi dobrý
Dobrý
Priemerný
Zlý



Za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Autor stránky je Ondrej Závodský(zawin), o graficky design sa stará Ľuboš Fabo(BUFU).

TOPlist

Powered by Copyright © UNITED-NUKE CMS. All Rights Reserved.
Čas potrebný k spracovaniu stránky 0.01 sekúnd