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.
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.
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)
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.
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)
Microchip RN2483
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
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
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)
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.
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.
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.
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.
Pridaj komentár
Prepáčte, ale pred zanechaním komentára sa musíte prihlásiť.