česky english Vítejte, dnes je úterý 05. březen 2024

Pro efektivní internet věcí je důležité správně vybrané připojení

DPS 5/2018 | Články
Autor: Rui Ramalho, Murata Europe

Internet věcí (IoT) rychle mění svět, ve kterém žijeme. Na naší planetě je nyní mnohem více vzájemně propojených zařízení než lidí, přičemž jejich počet se významně zvyšuje s tím, jak přibývají nová zařízení a aplikace.

Aby bylo možné pokládat zařízení za připojené, musí mít možnost komunikovat s ostatními, přičemž komunikační protokoly a navazující hardware zajišťují pokračující rozvoj IoT a jeho úspěch. Velký počet aplikací s různými potřebami a řada dostupných protokolů činí vstup do světa IoT obávanou záležitostí pro nejednoho zájemce.

Murata Europe se v tomto článku podívá na to, jak se komunikační technika vyvíjela, aby mohla zvládnout komplexní a mnohdy neobvyklé potřeby IoT, ale také na to, jak hardwarová řešení mohou významně ulehčit práci.

Jak již bylo řečeno, je dnes více propojených zařízení než lidí. Firma Cisco odhaduje, že jejich počet byl stejný v letech 2004/2005. Od té doby dochází ke zvyšování počtu propojených zařízení díky většímu počtu chytrých telefonů, nositelných výrobků, chytrých měst, domů a výrobních podniků, dokonce i automobilů.

Obr. 1 Pokud je bráno v úvahu několik důležitých kritérií, je výběr potřebného IoT komunikačního protokolu snazší

Americká společnost Gartner zabývající se výzkumem a poradenstvím v oblasti informačních technologií odhaduje, že koncem roku 2018 bude ve světě více než 11 miliard propojených zařízení a v roce 2020 dokonce už téměř dvakrát více − 20 miliard. Obraty prodeje se budou zvyšovat, ale už pomaleji, protože ceny a náklady budou pod tlakem a trendem bude připojovat k IoT menší a jednodušší celky.

Výběr IoT komunikačních protokolů

Při výběru správného protokolu pro IoT aplikace je potřeba vzít v úvahu několik aspektů. Protože mnohá místa připojení k IoT jsou kvůli sběru dat vzdálená, hraje dosah hlavní roli. Vzdálená připojení vyžadují také napájení, což je další věc k zamyšlení, zejména je-li zdrojem pouze baterie – jejich častá výměna může být značnou nevýhodou.

Zatímco mnohé komunikace IoT zahrnují malé pakety dat získané od relativně jednoduchých snímačů, některé aplikace, například strojové vidění, vyžadují přenos velkého objemu dat.

Je nutné také zvažovat velikost a měřítko sítě, protože některé protokoly se hodí pro desítky nebo dokonce stovky simultánních spojení, zatímco jiné jen pro několik.

Obr. 2 1DX WiFi a Bluetooth modul firmy Muratya

Potřeba (nebo nepotřeba) nativní IP podpory buď zahrnuje, nebo naopak nevyžaduje několik možných protokolů, přičemž oblíbenost daného protokolu naznačuje návrháři dostupnost potřebného hardwaru a firmwaru spolu s dostupnou technickou podporou během vývojového cyklu. Bluetooth a Wi-Fi se stávají dominantními technologiemi, přičemž každá z nich nabízí různé vlastnosti a výhody pro různé typy IoT aplikací.

Bluetooth

Bluetooth je velmi často používaný komunikační protokol, který je dnes dostupný téměř v každém chytrém telefonu a tabletu. Nedávno se tento protokol rozšířil o některé nové vlastnosti, které zlepšují jeho možnosti použití v IoT aplikacích. Bluetooth 4.0 (nazývaný někdy také Bluetooth Smart) přináší možnost přenosu malých paketů dat před uspáním, a tím výrazně snižuje celkovou spotřebu energie. Výhody z toho mají zejména IoT aplikace, u kterých se většinou nevyžaduje nepřetržitý přenos dat z pomalých senzorů.

Když jsou dvě zařízení s Bluetooth Low Energy (BLE) spárována, jsou připojená, ale spojení je přechodně nečinné. Tím se snižují nároky na napájecí energii a současně odstraňuje potřeba přechodu hardwaru do stavu snížené spotřeby energie. Na rozdíl od předcházejících verzí Bluetooth přišlo BLE navíc s několika aktualizacemi zaměřenými na zabezpečení, včetně bezpečného párování, šifrování AES-128 a řadou profilů, které umožňují rychlý vývoj aplikací.

Další průběžné inovace přinesly ve verzi 4.1 lepší správu napájení, zatímco verze 4.2 přišla s vylepšeným spojením, desetkrát větší kapacitou paketu a 2,5krát vyšší průchodností dat.

Poslední verze (Bluetooth 5.0) byla uvedena v roce 2016 a opět přinesla vylepšení zaměřená na funkčnost a výkon ve vztahu k IoT. V porovnání s verzí 4.2 zdvojnásobila verze 5.0 objem přenášených dat na 2 Mbps (i když packet overhead ji omezuje na 1,6 Mbps) a dosah zvětšila na 4násobek, teoreticky tedy až na 300 metrů. Tato verze umožňuje snížením dosahu zvýšit průchodnost dat − 200 metrů lze reálně dosáhnout v řadě venkovních aplikací s přímým dohledem.

Volba „scatternet“ (uvedená v roce 2013) zajišťuje flexibilitu, když připojená zařízení mohou být nastavena jako master nebo slave. Schopnost konfigurování mesh sítě zvyšuje potenciální možnosti využití, když se prostřední připojená zařízení použijí jako místa pro staging paketů dat.

Wi-Fi

Wi-Fi je jednou z nejoblíbenějších možností v případech, kdy se vyžaduje přenos většího množství dat na vzdálenost několika desítek metrů. Náklady na pořízení klesají díky obrovskému počtu zařízení, která již mají Wi-Fi zabudováno, zatímco potřebný hardware je volně dostupný. Jednoduché routery, jako například ty, které se používají doma nebo v kancelářích, zajišťují vstupní bránu k internetu bez potřeby specializovaného hardwaru.

Wi-Fi původně pracovalo v pásmu 2,4 GHz, které se ale v průběhu doby zaplnilo i dalšími protokoly (např. Bluetooth a Zigbee). Zavedení druhého rozsahu na 5 GHz umožňuje přístup k méně zaplněnému prostoru spektra, přičemž přináší zvýšenou spolehlivost spojení v případech, kdy je vyžadován kontinuální přenos dat vysokou rychlostí.

Výsledkem rychlého vývoje a celé řady možností použití je současně dostupno více verzí Wi-Fi. I tak ale mohou mnohé aplikace IoT, dokonce i ty, které požadují relativně velký přenos dat, používat starší verze Wi-Fi. Vývojáři však udělají nejlépe, když použijí některý z nejnovějších protokolů, jako je 802.11ac. Použití staršího, pomalejšího protokolu může v okamžiku, kdy je IoT zařízení aktivní, zpomalit celou síť. Použitím několika antén lze dosáhnout přenosové rychlosti přinejmenším 1 Gbps v pásmu 5 GHz, zatímco kterýkoliv kompatibilní router u připojeného zařízení IoT zajistí tento přenos dat při použití protokolu 802.11ac.

Multiprotokol

Díky nízkým pořizovacím nákladům se k Wi-Fi zařízením přidávají možnosti Bluetooth. Pro IoT zařízení je dnes běžné, že podporují dva protokoly. Tato kombinace přináší nejen flexibilitu během používání, ale také usnadňuje a zjednodušuje instalaci a konfiguraci.

Tak například zařízení, které podporuje Bluetooth a má odpovídající aplikaci (chytrý telefon nebo tablet), lze připojit a nakonfigurovat bez komplexity Wi-Fi. Jakmile je konfigurace provedena, IoT zařízení se restartuje a připojí k Wi-Fi síti pro běžnou práci.

Modulární řešení pro Wi-Fi a Bluetooth

Malý modul typu 1DX od společnosti Murata obsahuje 2,4GHz WLAN (Wi-Fi) a Bluetooth. Modul, který je založený na Cypress obvodu CYW4343W zahrnuje vysoce účinný VF front-end obvod, který zajišťuje operace s nízkým příkonem, což je ideální pro IoT aplikace. Stíněný modul měří pouhých 6,95 × × 5,15 × 1,1 mm. Protože nepoužívá externí součástky, představuje velmi kompaktní a lehké řešení. K vytvoření komunikačního zařízení s multiprotokolem potřebuje vývojář pouze připojit anténu, napájecí zdroj, procesor a logiku uživatelského rozhraní.

Vývojář ušetří čas i náklady použitím referenčního návrhu antény, protože díky již existujícím schválením může využít shodu se standardy FCC/IC, JAPAN Telec a RED.

Použitím tohoto modulu se také sníží doba potřebná k uvedení finálního produktu na trh (Time to Market). Modul podporuje Linux i Android a pro vývoj a odladění umožňuje použít WICED sw vývojový kit firmy Cypress.

Závěr

Velký počet protokolů může na začátku vývoje rádiové komunikace pro aplikace IoT některé vývojáře odradit, ale když se vezme v úvahu několik jednoduchých kritérií, je rozhodování výrazně usnadněno.

Modulární řešení, jakým je 1DX od Muraty, dále usnadňuje vývoj díky integraci většiny funkcí do malého modulu s nízkým příkonem, který při použití nevyžaduje žádné externí součástky. Vývojáři, kteří se rozhodnou pro nabízené řešení, mohou získat výhody v podobě kratší doby uvedení produktu na trh a nižších nákladů díky flexibilitě softwaru, snadné dostupnosti vývojových nástrojů, referenčním návrhům antény i předběžnému schválení v rámci mezinárodních standardů.