Oversikt over trådløs teknologi for IoT

Tingenes internett (IoT) er både kjent og ukjent i den moderne verden. Det er en vanlig betegnelse på enkeltpersoner i teknologibransjen og bedriftsverdenen, men bare sjelden hørt av befolkningen generelt, selv om det er en del av deres daglige liv. IoT er tilkobling av fysiske objekter som enheter, kjøretøyer, bygninger, elektronikk og nettverk som gjør det mulig for dem å samhandle, samle inn og utveksle data. Det gjelder millioner av forskjellige ting, inkludert oppdaterte tradisjonelle produkter som tidligere ikke var koblet til internett.

Denne artikkelen vil ta en titt på de mange måtene disse enhetene kan kommunisere trådløst.

Tre måter å få data inn i skyen på

En utfordring med IoT er å få data fra enhetens sensor til skyen, hvor disse dataene brukes, behandles og lagres. Den allestedsnærværende bruken av Wi-Fi og Bluetooth gjennom smarttelefoner, sammen med den utbredte tilgjengeligheten av mobilmaster (mobiltårn) og offentlige Wi-Fi-tilgangspunkter, gir mer tilgang til skyen for IoT-sensorer enn noen gang før. Det er tre grunnleggende måter å få data til skyen på.

Sensor til gateway til skyen. I noen applikasjoner er det optimalt å sende sensordata til en gateway som deretter overfører dataene effektivt til skyen. Avhengig av behovet for applikasjonen, kan gatewayen variere fra enkle relésystemer til «smarte» plattformer som utfører mer beregningsintensive funksjoner kalt «edge-prosessering» («kantbehandling»). Enheter som parkeringsplasssensorer og skrivebordsutnyttelsessensorer er vanligvis avhengige av gateways for å overføre dataene. Wi-Fi er et eksempel på en gateway. For bruk i hjemmet må du installere en Wi-Fi-gateway. På offentlige steder der gatewayen allerede er installert, opererer Wi-Fi direkte til skyen. Andre typer trådløs kommunikasjon, for eksempel Bluetooth, krever en gateway. Et eksempel på Wi-Fi i hjemmet er Hatch Baby Grow, en smart skiftepute og tilkoblet vekt. Den bruker Wi-Fi til å overføre data fra vekten i vekslefeltet til hjemmeinternett. Foreldre og barnelege kan spore skybasert informasjon gjennom enten en Android- eller iOS-applikasjon.

Sensor til mobiltelefonen til skyen. I noen tilfeller kan gatewayen være en mobiltelefon. Smarttelefoner med Wi-Fi eller Bluetooth-funksjon fungerer som gatewayer for å sende data til skyen. Voler hjalp for eksempel til med utviklingen av ørepropper som overvåker de eldre for balanse. De har trådløs Bluetooth LE-overføring til en smarttelefon hvor det finnes en tilknyttet app. Dataene sendes også til skyen fra smarttelefonen, hvor videre behandling kan gjøres og data kan deles.

Smart enhet direkte til skyen. Sensoren kan koble direkte til skyen ved hjelp av teknologi som NB-IoT, LTE-M eller LoRa. Disse teknologiene overfører i milevis ved svært lav effekt, så lenge datahastigheten er lav. De kobler seg til internett gjennom utstyr som vanligvis installeres i mobilmaster. De fungerer omtrent på samme måte som mobiltelefoner, bortsett fra at datahastigheten og strømmen er mye lavere. Det er en månedlig avgift, men den er vanligvis svært liten.

Faktorer som skal vurderes ved planlegging av en IoT-strategi for trådløs kommunikasjon inkluderer: hvor mye data som vil bli overført, hvor langt datakilden er fra internett, hvor mye strøm som kreves, og hvor høy kostnaden er for tjenesten, hvis noen. Den utbredte bruken av smarttelefoner og valget av Wi-Fi eller Bluetooth-radiostandarder tilbyr svært praktisk tilkobling. Nyere standarder, for eksempel NB-IoT og LTE-M, åpner for flere alternativer for fremtidens Internet of Things.

Hvorfor er det behov for ny teknologi?

IoT utvikler seg fremdeles. Med hver skrittvise tilnærming (iterasjon) kommer lavere strømforbruk, lengre trådløs kommunikasjon og bedre funksjoner. Nye enheter kan dra nytte av den nye teknologien og gi bedre ytelse.

Hva bør vurderes for kompromisser

Hver gang Voler designer en bærbar enhet eller en batteridrevet enhet, krever kundene at den:

• Drift i lang tid
• Sende masse data over lang avstand
• Ha et lite batteri

Det er kompromisser om disse konkurrerende kravene. Produktutvikling handler om kompromisser. Vurder systemfunksjonaliteten som kreves og foreta de tekniske avveiningene som er nødvendige for å gi optimal ytelse i samsvar med systemkravene. Det er viktig å samtidig gi en tilfredsstillende brukeropplevelse. Resultatet er en design med de beste kompromissene blant de mange valgene.

Kompromisser som tas med i vurderingen

Voler jobbet nylig med en oppstart for å forbedre batterilevetiden til deres tilkoblede produkt. Den var basert på Muratas impModule™ med en Arm® -prosessor og Wi-Fi-mottaker. De trengte en batterilevetid på mange uker, og det var mindre enn en uke etter prototypen. Voler reviderte koden for å oppfylle den nødvendige batterilevetiden. Den opprinnelige koden fungerte ikke som planlagt.

I trådløs overføring må tre ting håndteres: strømmen som kreves for å overføre, datahastigheten og overføringsområdet. Det er viktig å velge riktig trådløs standard. Se tabellen nedenfor når du velger en trådløs standard for IoT-enheten som skal designes. Tabellen viser de vanlige trådløse standardene som brukes for IoT-enheter, sammen med deres egenskaper.

Tabell 1: Felles trådløse standarder og deres kapasitet. (Tabellkilde: Voler)

Ulike trådløse standarder krever svært forskjellige strømnivåer. Den nødvendige strømmen avhenger av datahastigheten og overføringsområdet. En enhet kan for eksempel, i henhold til tabell 1, kreve 120 mW strøm for å overføre 100 bits data per sekund en kilometer ved hjelp av LTE Cellular. Men ved hjelp av Bluetooth LE for å overføre 1 meter, trenger en enhet kanskje bare 0,15 mW strøm.

Sammenligning av trådløse IoT-standarder

Tabell 2: En sammenligning av trådløse IoT-standarder. (Tabellkilde: Voler)

Strømkrav til populære trådløse alternativer

Hvis en enhet bare kreves for å overføre data så langt som 10 meter, er lavenergi-Bluetooth (BLE) og Bluetooth tilstrekkelige. Men IoT-utstyr for industrielle og kommersielle formål, for eksempel lagerstyring eller bærbart utstyr for helseovervåking, kan kreve mer omfattende kommunikasjon, for eksempel NB-IoT eller LTE-M. Hvis en enhet sender mye data, for eksempel et videokamera, kan ikke lavenergi-Bluetooth (BLE) håndtere det. Valg med høy effekt som Wi-Fi og LTE er påkrevd.

På den annen side tillater cellulære trådløse protokoller NB-IoT og LTE-M IoT-enheter å overføre data til fjerntliggende steder ved lav effekt. Det samme gjelder SigFox som kan overføre data så langt som 50 kilometer. Men i motsetning til mobilstandarder med høy datahastighet, kan SigFox bare overføre opptil 300 bits data per sekund.

Privat kontra offentlig nettverk

Et privat nettverk har en gateway installert og kontrollert av en leverandør for en eller et begrenset antall brukere. Et offentlig nettverk har en gateway som mange brukere kan bruke ved å betale en månedlig avgift. Et eksempel er mobiltjeneste.

Offentlige nettverk krever at det installeres infrastruktur, for eksempel mobilmaster. Mobiltelefoner er populære og kan lett streife på grunn av den utbredte installasjonen av mobilmaster. SigFox og LoRa har begrenset infrastruktur på plass i USA, så en enhet som bruker denne teknologien vil ikke fungere de fleste steder. LoRa har muligheten til å bruke et privat nettverk ved hjelp av en gateway.

I 2019 passerte installasjonen av infrastruktur for NB-IoT og LTE-M det punktet hvor 90 % av USAs befolkning er dekket. Den nærmer seg tilgjengeligheten av mobildekning. Selv om den har eksistert i årevis, kan denne teknologien endelig brukes i nye enheter. Infrastrukturen er også på plass i de fleste større land i verden. Forvent en rask økning i bruken av NB-IoT og LTE-M. Sigfox og LoRa ligger langt etter i installasjonen av offentlig infrastruktur.

Nedenfor er et sammendrag av de private og offentlige trådløse alternativene:

Privat

• Hver ende på kommunikasjonen er privateid
• Den kan installeres hvor som helst
• Ikke-lisensiert spektrum
• Kostnad for installasjon av basisstasjoner og endepunkter
• Ingen månedlig avgift

Offentlig

• Nettverket som eies av leverandøren – for eksempel mobilnettverk
• Fungerer bare der basisstasjoner finnes
• Enkel roaming
• Lisensiert spektrum
• En månedlig avgift for bruk av nettet

Når blir batteriteknologien bedre?

Hvis batteriene var bedre, ville disse kompromissene vært enklere. Lagring av kjemisk energi nærmer seg grensen for sin effektivitet. Det forskes imidlertid mye på høyere tetthet og bedre sikkerhet.

Hvis batteriene hadde utviklet seg som halvledere i løpet av de siste 50 årene, ville du hatt et batteri på størrelse med hodet på en nål som ville kostet en krone og levert strøm til bilen din. Det er unødvendig å si at teknologien ikke engang er fjernstyrt og aldri vil være det. Derfor er enheter begrenset av plassen som kreves for kjemisk lagring av energi.

Dagens batterier er omtrent 10 % av det ultimate innen lagring av kjemisk energi, noe som ville være noe i retning av bensin. Bensin har imidlertid et sikkerhetsproblem. Et annet mer effektivt alternativ er kjernekraft, men det vil igjen være et sikkerhetsproblem for ikke å nevne et problem med bærbarhet. Det vil bli trinnvise forbedringer av batterier i fremtiden, men endringene vil være langsomme.

Kostnadshensyn

Mange IoT-enhetsprodusenter underinvesterer i sikkerhet for å holde produktene sine rimelige og akselerere tiden til markedet. Integrering av sikkerhet i utviklingsfasen kan gi betydelig ekstra kostnader og utviklingstid. Å bygge IoT-enheter med svak IoT-sikkerhet kan imidlertid føre til mer skadelige konsekvenser ikke bare for kundene, men også for produsentens merkevare – i form av tapt produktivitet, juridiske pengestraffer / bøter for overholdelse, skadet omdømme og pengetap.

Den trådløse standarden som er valgt for IoT-enheter, kan påvirke ytelse, brukervennlighet, sikkerhet og pålitelighet betydelig. Den best tilpassede standarden for en IoT-enhet avhenger enhetens applikasjon. Å kjenne formålet med enheten kan bidra til å bestemme de viktigste kravene for å bygge den, for eksempel hvor mye strøm den trenger for å fungere effektivt, hvor raskt den skal overføre data, og hvor lenge batteriet må vare.

Voler Systems team av eksperter på utvikling av IoT-enheter kan veilede en designer gjennom å velge riktig trådløs standard for IoT-maskiner. Kontakt en IoT-ekspert nå for å lære mer om å velge riktig trådløs standard for enhver IoT-enhetsdesign.