IoT a evoluat cu pași repezi de la începuturile sale inițiale. Dintre toate cazurile de utilizare care au câștigat popularitate, abilitatea de a urmări bunurile se află în fruntea listei. Tipurile de active urmărite includ totul, de la containere de transport maritim la transporturi de medicamente vitale, utilaje de mare capacitate și șeptel. Unele dintre aceste categorii de active sunt extrem de mobile, acoperind țări și regiuni ale lumii, unde în multe locuri nu există acoperire celulară sau LPWAN.
Conectivitate IoT/IIoT wireless
Figura 1: Localizarea orbitelor GEO, MEO și LEO în raport cu Pământul, cu indicarea distanței și a latenței călătoriei dus-întors. (Sursa: Mouser)
Originile Internetului Lucrurilor (IoT) sunt neclare, dar multe surse fac referire la un aparat de băuturi răcoritoare implementat la Universitatea Carnegie Mellon, la începutul anilor 1980. Termenul a fost inventat abia la sfârșitul anului 1999 de Kevin Ashton, când IoT a luat amploare. La fel ca în cazul multor inovații bazate pe electronică, dezvoltarea tehnologiei și adoptarea în industrie sunt iterative. Ciclurile de inovare și cerere sunt prieteni buni, iar ascensiunea IoT și a geamănului său industrial, Internetul Industrial al Lucrurilor (IIoT), a depins de aceste modele ciclice. Printre exemple se numără nevoia de operare cu consum redus de energie provenită de la baterii – o barieră semnificativă în calea adoptării până când microcontrolerele cu consum foarte redus de putere au devenit standard. Inițial, dispozitivele IoT erau conectate prin cablu la rețele Ethernet, dar, având în vedere multitudinea de cazuri de utilizare potențiale bazate pe mobilitate, nevoia de conectivitate wireless robustă și cu consum redus de energie a dus la crearea rețelelor extinse cu consum redus de putere (LPWAN).
Opțiuni de conectivitate wireless pentru IoT
Conectivitatea wireless IoT/IIoT a fost, initial, limitată la sistemele Wi-Fi din case, birouri și fabrici. Cu toate acestea, capabilitățile de lățime de bandă ale Wi-Fi sunt enorme în comparație cu ceea ce necesită majoritatea senzorilor IoT simpli. De asemenea, Wi-Fi este un protocol wireless care consumă foarte multă energie, fiind potrivit pentru aplicațiile alimentate de la rețea sau pentru cele care utilizează o baterie de mare capacitate. Conectivitatea celulară de date a fost, de asemenea, văzută inițial ca o alternativă costisitoare. Serviciul IoT de bandă îngustă a fost încorporat în specificațiile celulare 3GPP în 2016, oferind o conexiune cu consum redus de energie și lățime de bandă redusă, ideală pentru mulți senzori IoT. Pentru implementările IoT dispersate din punct de vedere geografic, apariția protocoalelor LPWAN sub-GHz, cum ar fi LoRa, a oferit o alternativă de spectru fără licență cu costuri reduse la metodele celulare.
Pe măsură ce numărul opțiunilor de conectivitate wireless a crescut, au sporit și cazurile de utilizare potențiale. Deși multe dintre implementările inițiale de dispozitive wireless alimentate de la baterii au implicat instalații fixe, cum ar fi contorizarea utilităților, posibilitatea de a dezvolta dispozitive IoT în scopuri de urmărire a accelerat adoptarea. Cel mai popular caz de utilizare a IoT este urmărirea activelor, fie că este vorba de un container de pe o navă care călătorește din Asia în Europa sau de un lucrător într-un campus de cercetare de amploare. Gama de aplicații de urmărire a activelor este diversă, de la utilaje de mari dimensiuni și de mare valoare investițională până la transporturi individuale de medicamente livrate în regim de urgență. Agricultura este un alt caz de utilizare a urmăririi sau monitorizării activelor, care beneficiază de senzori de mică putere conectați la LPWAN.
Atunci când se decide ce conectivitate wireless trebuie selectată, există mai mulți factori pe care inginerii ar trebui să îi analizeze, inclusiv:
Distanța geografică: Ce urmăriți sau cu ce comunicați? Cât de departe trebuie să urmăriți sau să comunicați cu acest lucru? Se află la câțiva km de o locație centrală, de exemplu o fermă, sau este un container de transport maritim care ar putea călători la nivel global? Un alt factor pentru aplicațiile de urmărire este precizia poziționării. Urmărirea unui container pe un camion ar putea necesita o poziționare la mai puțin de 3 km, dar un lucrător aflat în interiorul unui laborator de cercetare ar putea avea nevoie de o precizie de mai puțin de un metru. Trecerea frontierelor regionale și naționale va necesita roaming celular și, eventual, o soluție de rezervă în cazul în care metoda principală de comunicație nu este disponibilă.
Sursa de alimentare: Alimentarea cu baterii oferă cea mai mare flexibilitate, dar bateriile reîncărcabile oferă o rază de acțiune mai mare dacă există spațiu pentru panouri solare sau posibilitatea de a colecta surse de energie ambientală sau direcționată. Ciclul de funcționare al dispozitivului va determina durata de viață a bateriei, astfel încât un dispozitiv de urmărire care comunică o dată pe zi ar putea fi potrivit pentru un container de transport pe mare, dar nu și pentru monitorizarea livrărilor locale.
Latența și dimensiunea pachetelor de date: Câte date trebuie transferate, cu ce frecvență și cât de des este necesară interacțiunea în timp real? Sarcina utilă a unui simplu senzor de temperatură și umiditate poate fi mai mică de 10 octeți, în comparație cu senzorii de viziune pentru un proces de control industrial.
Pe măsură ce cazurile de utilizare ale IoT cresc, în special în cazul implementărilor globale, cum ar fi urmărirea activelor sau gestionarea implementărilor masive dispersate geografic, devine tot mai probabilă nevoia de a îmbina mai multe metode de conectivitate într-un singur dispozitiv. Progresele înregistrate în domeniul tehnologiilor prin satelit și scăderea costurilor de adoptare au făcut din conectivitatea IoT bazată pe satelit o opțiune atractivă pentru multe aplicații.
Conectivitate IoT prin satelit
Plasarea de sateliți de comunicații în spațiu nu este un fenomen recent, primul datând de la începutul anilor ’60. Cu toate acestea, în ultimul deceniu s-a înregistrat o creștere spectaculoasă a lansării de sateliți compacți și ieftini, mulți dintre ei nefiind mai mari decât o cutie de pantofi. CubeSat și nanoSat sunt termenii atribuiți acestor sateliți mici. Ei au devenit atât de populari încât unii sunt construiți chiar de colegii și universități și lansați de NASA sau de alți contractori care se ocupă cu lansarea de sateliți comerciali. Un nanosatelit de 1U măsoară 10 cm × 10 cm × 10 cm și, de obicei, nu cântărește mai mult de 1,3 kg. Inițiativa NASA de lansare a sateliților CubeSat oferă instituțiilor de învățământ, muzeelor și centrelor științifice acces la spațiu cu costuri reduse. Pot fi lansați simultan zeci de sateliți CubeSat.
Sateliții sunt plasați pe una dintre cele trei orbite terestre – vedeți figura 1.
O orbită geostaționară permite ca satelitul să pară staționar dintr-un punct fix de pe Pământ. Rețineți că latența este semnificativă din cauza acestei distanțe, de până la 0,6 secunde. Sateliții de televiziune, cum ar fi populara constelație Astra 1, formată din patru sateliți, se află pe orbita GEO și transmit mii de canale de televiziune, radio și interactive către Europa de la o distanță de 35.768 km față de Pământ. Majoritatea sateliților GNSS se află pe o orbită terestră medie de aproximativ 22 km.
Figura 2: Sateliții Astrocast CubeSat. (Sursa: Astrocast)
Amplasarea unei constelații de sateliți CubeSat cu conectivitate IoT devine din ce în ce mai viabilă pentru multe cazuri de utilizare. Deși este posibil ca fiecare CubeSat să fie “văzut” de un dispozitiv IoT de pe Pământ doar pentru o perioadă scurtă de timp, vor exista aproximativ 10 – 12 treceri pe zi, număr care crește cu fiecare satelit CubeSat adăugat la constelație. De asemenea, latența unui CubeSat LEO este semnificativ mai mică decât a celor de pe orbite mai înalte și mai mult decât adecvată pentru majoritatea aplicațiilor nedeterministe.
Printre aplicațiile care pot beneficia de conectivitatea SatIoT se numără agricultura inteligentă, urmărirea globală a activelor și monitorizarea performanțelor utilajelor grele. Alte cazuri de utilizare includ colectarea datelor de la balize aflate la mare adâncime și optimizarea combustibilului pentru navele maritime.
Astrocast oferă conectivitate SatIoT
Astrocast este un exemplu de furnizor de conectivitate IoT prin satelit care lansează din 2019 sateliți CubeSat – în principal împreună cu SpaceX – aceștia cântărind aproximativ 5 kg. În cadrul ultimei misiuni, din ianuarie 2023, au fost lansați alți patru sateliți CubeSat cu dimensiunea 3U (10 cm × 10 cm × 34 cm), ajungând astfel la un total de 18 sateliți aflați acum pe orbită. Figura 2 ilustrează sateliții Astrocast CubeSat pregătiți pentru inspecțiile finale.
Figura 3: Serviciul Astrocast SatIoT. (Sursa: Astrocast)
Pe lângă construcția și implementarea constelației de sateliți, Astrocast oferă o familie de module Astronode de emisie-recepție în bandă L de putere redusă și înalt integrate, complet optimizate pentru comunicația cu rețeaua sa de sateliți.
Rețeaua Astrocast oferă o conexiune bidirecțională, cu o latență scăzută de conectare, mai mică de 15 minute, cu întreaga constelație, precum și posibilitatea de a furniza actualizări ‘over-the-air’ pentru dispozitivele IoT. Criptarea AES multi-level pe 256-biți este utilizată în întreaga rețea. Figura 3 evidențiază arhitectura de nivel înalt a serviciului Astrocast SatIoT.
Modulul Astronode S de la Astrocast – vedeți figura 4 – este special proiectat pentru a conecta dispozitivele la rețeaua IoT prin satelit. Acesta integrează un microcontroler ARM Cortex M33 și un transceiver radio în bandă L pentru comunicația cu constelația de sateliți Astrocast. Comunicația cu un dispozitiv IoT gazdă se realizează prin intermediul unui UART de joasă putere, pe lângă porturile GPIO. Datele pot fi stocate în orice moment în bufferul de mesaje al Astronode, cu până la 8 mesaje, fiecare având o sarcină utilă de până la 160 de octeți. Acestea sunt trimise automat la următoarea trecere a satelitului. Consumul de putere este de până la 76 mA în timpul transmisiei și până la 320 nA în modul de somn profund al modulului. Puterea de emisie este de până la +20 dBm.
Figura 4: Modulul emițător-receptor Astronode S SatIoT (Sursa: Astrocast)
Modulul Astronode S+ integrează un modul de emisie-recepție Astronode S și o antenă patch Astronode ceramică, compactă, optimizată pentru funcționarea în banda L, cu o deschidere largă a fasciculului, un câștig de +3 dBic și o impedanță de 50Ω.
Conectivitatea IoT prin satelit deschide cazuri de utilizare IoT la nivel global
Pe măsură ce cazurile de utilizare IoT/IIoT se extind, nevoia de conectivitate globală cu costuri reduse și consum redus de energie devine esențială. În trecut, accesul la comunicațiile prin satelit a fost limitat la agențiile guvernamentale și la organizațiile naționale de cercetare. Satelitul IoT pare să deschidă accesul comercial la o conectivitate cu adevărat globală, cu costuri reduse și cu consum redus de putere. Prin combinarea SatIoT cu protocoalele wireless existente se oferă o abordare extrem de flexibilă și versatilă a conectivității IoT.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
