Scalarea IoT cu tehnologie celulară

6 NOIEMBRIE 2018

Internetul Lucrurilor (IoT) a trecut, aproape peste noapte, de la o vorbă la o tendință tehnologică majoră. Dispozitivele IoT apar astăzi peste tot, de la dispozitivele electronice de larg consum, precum dispozitive purtabile și senzori casnici inteligenți, până la automatizare industrială, dispozitive pentru sănătate, echipamente pentru depozite / logistică și multe altele. Dar odată cu dezvoltarea și maturizarea IoT ne lovim de probleme severe de creștere. Multe dintre tehnologiile și protocoalele care aveau sens pentru o lume centralizată pe desktop, laptop și dispozitive mobile de calcul, nu mai sunt la fel de valabile pentru rețelele descentralizate de dispozitive de ultra-joasă putere, pe care tehnologia IoT le crează.

Wi-Fi și Bluetooth – standardele de-facto pentru rețelele casnice nu sunt translatate și pentru IoT. Wi-Fi are o rază de acțiune decentă, dar și un consum de putere ridicat. Bluetooth are un consum energetic redus, dar o rază mică de acțiune. Ambele soluții nu se pot scala bine pentru că necesită routere.
De fapt, există deja o soluție viabilă pentru proble­mele rețelelor IoT și o utilizăm în fiecare zi: rețelele de comunicație mobile.

Definirea IoT
Termenul de IoT acoperă o varietate mare de “lucruri”, de la termostate inteligente și aparate electrocasnice pe partea utilizatorilor casnici, până la senzori de presiune, dispozitive de măsurare a consumului de apă și sisteme de irigație inteligente pe partea industrială. Dar, în vreme ce aplicațiile și piețele cărora IoT se adresează pot fi foarte variate, dispozitivele IoT partajează o serie de caracteristici cheie.
Multe dispozitive IoT sunt alimentate de la baterii. Pentru aplicațiile mobile, precum dispozitivele purtabile sau sistemele de urmărire, alimentarea de la baterii este singura soluție. Cu toate acestea, chiar și dispozitivele IoT care nu se deplasează, precum dispozitivele de măsurare a cantității de apă, senzorii de presiune pentru conducte, sau termostatele în procesele de automatizare, pot alege să fie alimentate de la baterii, din motive de convenabilitate, mai ales atunci când în apropiere nu există o sursă de tensiune de la rețea.
Dispozitivele IoT sunt adesea dispuse în locuri neașteptate și adesea dificile. În timp ce multe electronice casnice și de întreprindere stau în casele și birourile noastre, se pot baza pe acces ușor la electricitate, recepție Wi-Fi și celulară, iar pentru scopuri de întreținere sunt ușor accesibile, același lucru nu este valabil pentru IoT. Un aparat inteligent de taxat pentru parcare poate fi situat într-un garaj subteran cu recepție celulară slabă și fără sursă de tensiune în apropiere. Un senzor de presiune poate fi montat pe o conductă în deșert. Un dispozitiv pentru urmărirea bunurilor poate sta pe fundul unui container de transport și este inaccesibil pentru câteva luni la un moment dat.
În sfârșit, dispozitivele IoT sunt implementate într-un număr mai mare față de aproape orice altă clasă de dispozitive electronice din istorie. Mai mult, aplicațiile IoT sunt adesea mai eficiente atunci când sunt implementate în volume mari. Fie că sunt echipamente inteligente de taxat pentru parcare, balize, senzori de irigație sau dispozitive de urmărire a bunurilor, implementările IoT se numără adesea în zeci, sute sau chiar mii de dispozitive directe.
Aceste caracteristici – alimentare de la baterii, instalare mobilă sau în locuri îndepărtate și implementare pe scară largă – prezintă un set unic și aparent contradictoriu de provocări pentru conectivitatea IoT. Protocolul de comunicație utilizat trebuie să fie fără fir și să aibă o rază de acțiune bună / penetrare, dar trebuie să aibă și un consum minim de energie pentru a permite o durată mare de viață a bateriilor și operații de întreținere rare.
Wi-Fi, protocolul fără fir tradițional pentru rețelele casnice și de întreprindere, are o rază de acțiune și pene­trare decentă, dar este avid de energie, făcându-le de nefolosit pentru dispozitivele alimentate de la baterii. Bluetooth, este economic energetic, dar are o limitare a razei de acțiune în mediile din lumea reală, având astfel impact asupra eficienței pentru toate implementările IoT, inclusiv cele de pe scara cea mai mică. Este necesară o altă soluție, iar tehnologia celulară se pare că este cea mai bună.

Cazul IoT celular
În unele cazuri, telefoanele mobile partajează numeroase funcții cu dispozitivele IoT. Aceste dispozitive mobile alimentate de la baterii sunt conectate la internet, pline de senzori și inter­fațează lumea noastră fizică prin cloud. Astfel, are sens ca un protocol ideal IoT să dispună de atribute celulare certe.
Cel mai remarcabil avantaj al rețelei celulare este acela că ea prezintă un mod de pregătire incredibil de simplu și dispune de un protocol de comunicație ușor de utilizat pentru utilizatorul final. După cum s-a menționat deja, rețelele Wi-Fi necesită un router pentru a se conecta la internet și dispozitivele client au nevoie apoi de a fi programate pentru a se conecta la rețeaua Wi-Fi. Rețelele Bluetooth necesită pași similari.
Rețelele celulare, pe de altă parte, necesită ca utilizatorul final să instaleze în mod simplu o cartelă SIM în dispozitiv, care apoi se configurează automat și se conectează automat la rețelele disponibile. Dacă dispozitivul este mutat într-un loc diferit, atâta vreme cât este o rețea compatibilă, se va conecta automat. Nu există provizioane, nu există parametri de router, fără parole de stabilit și foarte puține probleme de conectare pentru depanare de către utilizatorii finali. Lucrează pur și simplu.
Pentru aplicații IoT, acest fel de rețea ușor de utilizat reprezintă o schimbare a jocului. În loc de a angaja specialiști de rețea pentru a planifica câte routere sunt necesare pentru a suporta un număr de dispozitive, a le configura și apoi a le furniza către dispozitivele client, natura de tip “plug-and-play” a rețelei celulare permite clienților finali să adauge conectivitate IoT fără necesitatea unui departament de rețelistică.
Conectivitatea celulară este, de asemenea, masiv scalabilă. Nu este nevoie să se cumpere și să se configureze routere suplimentare atunci când sunt adăugate în rețea mai multe dispozitive. Atâta vreme cât există acoperire de rețea, scalarea înseamnă doar adăugarea de noi dispozitive.

Celular pentru IoT
Pentru toate avantajele sale inerente, conectivitatea celulară cu care suntem familiarizați în cadrul telefoanelor noastre inteligente, nu este ideal potrivită pentru majoritatea aplicațiilor IoT. După cum știe oricine a cumpărat un banc de putere pentru telefonul său mobil, conectivitatea LTE poate goli rapid bateria.
Pentru a răspunde acestor probleme, 3GPP, corpul de standarde responsabil cu menținerea și dezvoltarea LTE, a lansat LTE Cat 1 și LTE-M. Aceste noi categorii LTE reduc consumul de energie prin reducerea lățimii de bandă și a complexității protocolului. Suplimentar, ele îmbunătățesc pene­trarea semnalului și scad costul modulului, toate acestea în vreme ce păstrează multe dintre funcțiile ușor de utilizat, care fac din conectivitatea celulară, una bine potrivită pentru piața IoT.

LTE Cat 1 – Acesta este un protocol celular simplificat care scade vitezele de vârf la 10Mbps pentru legături de descărcare și 5Mbps pentru legături de încărcare. Consumul energetic este de aceea ținut sub control – cu produse ca modulul XBee LTE Cat 1 de la Digi, consumând numai 10µA aflat în modul deep sleep și numai câteva sute de mA în stare activă (în funcție de condițiile exacte de operare). Complexitatea redusă a protocolului înseamnă, de asemenea, transmisie radio de cost redus. LTE Cat 1 oferă suficientă lățime de bandă pentru a suporta datele video sau voce, dar la un consum energetic mai mic și cost hardware mai redus față de categoriile superioare LTE. Aplicațiile relevante includ semnalizare digitală, ATM-uri, supraveghere video și telematică în vehicule.

LTE-M – De asemenea, cunoscut ca LTE Cat M1, acesta este un protocol de bandă chiar și mai strânsă, care merge mai departe în reducerea consumului energetic, a complexității protocolului și a costului.
Operând la o lățime de bandă de 1.4MHz, vitezele de încărcare și descărcare sunt de 1Mbps pentru full duplex sau 375kbps pentru jumătate. Aceste viteze reduse, complexitatea redusă a protocolului și modurile adiționale de economie energetică ajută LTE-M să aibă consumuri energetice mai joase decât LTE Cat 1 – de exemplu SARA-R4 de la u-blox necesită numai 100mA pentru a furniza comu­nicație LTE. Acest lucru permite o durată de viață a bateriilor de până la 10 ani.
Pe lângă îmbunătățirea duratei de viață a bateriilor, LTE-M furnizează, de asemenea, o acoperire mai bună, cu o amplificare de până la 21dB față de dispozitivele mai vechi LTE. Aceasta înseamnă o rază de acțiune îmbunătățită precum și o mai bună penetrare în interiorul incintelor pentru aplicații în clădiri, sub pământ sau în alte locații unde recepția celulară tradițională devenea slabă.
Aplicațiile relevante pentru LTE-M includ monito­rizarea bunurilor, dispozitive purtabile, senzori, dispozitive de măsurare a consumului pentru utilități. Pe baza protocolului existent LTE, LTE Cat 1 și LTE-M au avantajul operării într-un spectru licențiat, precum și ușurința implementării pentru furnizorii de rețea. Rețelele LTE Cat 1 și LTE-M sunt deja disponibile pe majoritatea zonelor din America de Nord și se constată o creștere a nivelului de implementare în Europa.

Protocolul de rețea IoT ideal
Odată cu dezvoltarea IoT, acesta trebuie să dispună de infrastructura corectă pentru a-i permite să-și atingă întregul potențial. În vreme ce protocoalele uzuale fără fir, precum Wi-Fi și Bluetooth ne sunt deja familiare, ele nu lucrează așa de bine la scara așteptată de implementările IoT. Cele mai recente versiuni ale standardului LTE de la grupul 3GPP, au introdus noi categorii ale acestui standard celular pentru a se adresa în mod specific cazurilor de utilizare IoT. Prin reglarea lățimii de bandă pentru a se potrivi cerințelor IoT, aceste categorii LTE pot atinge un consum foarte redus de energie și o pene­trare puternică a semnalului. Durata de viață a bateriilor poate atinge un ordin de mărime de nivelul anilor, iar în plus, dispozitivele vor avea avantajul unei conectivități cu rază mare de conectivitate și mobilitatea intrinsecă a comunicației celulare. Dar, cel mai important, conectivitatea IoT bazată pe LTE oferă o incredibilă ușurință de punere în funcțiune și scalabilitate. Lipsa necesității de routere sau configurări de rețea, înseamnă că dispozitivele IoT sunt considerabil mai simplu de implementat.

Despre autor:
Mark Patrick s-a alăturat companiei Mouser Electronics în Iulie 2014, după ce a activat în conducerea departamentului de marketing la RS Components. Înainte de RS, Mark a petrecut 8 ani la Texas Instruments având sarcini de suport tehnic şi aplicaţii. El deţine o diplomă de masterat în Inginerie Electronică de la Coventry University.

Mouser | https://ro.mouser.com/

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre