Cechami charakteryzującymi urządzenia Internetu Rzeczy są energooszczędność i ciągła gotowość do bezprzewodowej transmisji danych między sobą. Jak połączyć te dwie, pozornie wykluczające się, rzeczy? Stosując odpowiednie protokoły komunikacyjne!
LoRaWAN, czyli Long Range Wide Area Network.
Jest to technologia wykorzystująca nielicencjonowane pasma radiowe, co oznacza, że koszt jej implementacji ogranicza się do ceny modułów. Niestety, są one dość drogie. LoRaWAN, jak wynika z nazwy, jest protokołem oferującym bardzo duży zasięg transmisji, wynoszący średnio 2-5 km w terenach zabudowanych i do 15 km poza nimi. Problemem może być prędkość mieszcząca się w przedziale 0,3-50 kbps. Tyle wystarczy w przypadku czujników przesyłających niewielkie pakiety, ale dla urządzeń operujących na większych ilościach danych to może być zbyt mało. LoRaWAN oferuje komunikację dwustronną, co umożliwia na przykład zdalną aktualizację oprogramowania. Urządzenia wykorzystujące ten standard są połączone w topologii rozszerzonej gwiazdy – komunikują się z jedną lub więcej bramek, które wymieniają dane z serwerem przy użyciu protokołu IP.
Narrowband IoT (NB-IoT) i LTE-M.
W przeciwieństwie do LoRaWAN wykorzystują licencjonowane pasmo – operują na częstotliwościach LTE. NB-IoT oferuje transmisję dwukierunkową typu half-duplex, czyli urządzenie może w danym momencie albo przyjmować dane, albo je wysyłać, ale nie wykonuje tych operacji jednocześnie. LTE-M może działać w trybie full-duplex, zatem transmituje dane w obu kierunkach niezależnie. Omawiane technologie przeznaczone są głównie do zastosowań wewnątrz budynków, aczkolwiek świetnie spisują się również na zewnątrz – dzięki rozbudowanej infrastrukturze można uniknąć problemów z zasięgiem.
NB-IoT poprzez wykorzystywanie wąskiego pasma (180 kHz) oraz modulację komunikatów umożliwia jednoczesną pracę tysięcy urządzeń na małym obszarze. Obecnie oferuje transmisję danych z szybkością do 159 kbps w górę i 127 kbps w dół przy opóźnieniach rzędu 1-10 sekund. Cechą charakterystyczną tej technologii jest nacisk na energooszczędność – urządzenia korzystające z niej mają działać na baterii przez kilka lat.
LTE-M jest w stanie osiągnąć szybkość transmisji na poziomie 1 Mbps w obie strony przy latencji nieprzekraczającej kilkunastu milisekund. Odbywa się to jednak kosztem efektywności energetycznej.
Wi-Fi.
Jest to protokół komunikacyjny działający w częstotliwościach 2,4 GHz oraz 5 GHz. Pasmo nie jest licencjonowane, aczkolwiek urządzenia wykorzystujące Wi-Fi muszą posiadać certyfikację, a zatem spełniać szereg norm dotyczących między innymi bezpieczeństwa. Ten protokół ma zastosowanie głównie w instalacjach wewnętrznych. Oferuje wysoką szybkość transmisji, osiągającą aż 10 Gbps dla Wi-Fi 6 (802.11 ax). Zasięg jest dość niski, sięga około 20 metrów wewnątrz oraz do 150 metrów na zewnątrz, dodatkowo wysoka częstotliwość fal skutkuje silnym tłumieniem na przykład przez ściany. Urządzenia wykorzystujące ten standard przesyłają dane w trybie half-duplex. Protokół jest dość energochłonny, przez co jest używany głównie w urządzeniach mających stałe zewnętrzne zasilanie lub wydajne akumulatory.
Bluetooth i Bluetooth LE.
Podobnie jak Wi-Fi używa częstotliwości 2,4 GHz, a urządzenia wykorzystujące ten standard muszą posiadać stosowną certyfikację. Protokół Bluetooth jest przeznaczony głównie do zastosowań wewnętrznych i w sprzętach cechujących się niskim poborem energii. Zasięg połączenia jest różny dla poszczególnych klas urządzeń i może wynosić aż do 100 metrów, przy czym najpopularniejsza przy mobilnych instalacjach jest klasa 2 oferująca połączenia na odległość około 10 metrów. Możliwe sposoby wykorzystania łączności Bluetooth są definiowane przez profile opisujące konkretne funkcjonalności, co czyni ten protokół bardzo wszechstronnym i elastycznym.
Ciekawym rozwiązaniem jest Bluetooth Low Energy, stosowany głównie w urządzeniach IoT. Świetnie odnajduje się w wearables czy aplikacjach kontrolujących zdrowie, jak inteligentne wagi. Oferuje zasięg zbliżony do „pełnowymiarowego” BT przy jednoczesnym obniżeniu zużycia energii. Osiąga się to poprzez zmniejszenie szybkości transmisji danych. Warto zaznaczyć, że BLE nie jest kompatybilny z Bluetooth, aczkolwiek od wersji 4.0 może być z nim stosowany równocześnie. Wprowadza kilka nowych profili, co umożliwia na przykład przekazywanie informacji o stanie naładowania baterii czy połączenia typu many-to-many.
Coś więcej?
Powyżej opisałem w skrócie cztery najpopularniejsze obecnie protokoły stosowane w urządzeniach IoT. Są one przez cały czas bardzo silnie rozwijane, stosunkowo tanie w implementacji, każdy z nich oferuje unikalny zestaw cech. Dzięki temu są w stanie współistnieć, dla każdego z nich jest miejsce na rynku. Oczywiście, istnieje też wiele innych sposobów komunikacji, jak transmisja danych przez podczerwień. Niestety, ich specyfika sprawia, że nie ma dla nich miejsca w popularnych zastosowaniach, choćby przez wzgląd na konieczność ciągłej obecności odbiornika „w zasięgu wzroku” nadajnika czy cenę implementacji.
Jak dobieramy moduły do zastosowań?
W MIPSO dobieramy moduły w zależności od potrzeby. Jeżeli mamy do czynienia z urządzeniem, które ma pracować w trudnych warunkach, polecamy technologię NB-IoT. Jeśli chodzi o zastosowanie modułów LTE-M, montujemy je w urządzeniach, które mają podróżować i działać np. w samochodzie. Produkty oparte o bluetooth są stosowane przez nas głównie w rozwiązaniach smart-city i smart-home - tam, gdzie potrzebna jest krótka interakcja z użytkownikiem. Moduły Wi-Fi stosujemy w urządzeniach, które znajdują się np. w biurach czy przy domach - tam, gdzie dostępne jest połączenie bezprzewodowe tego typu.