Стивен Хокинг (Stephen Hawking) однажды сказал: «На протяжении миллионов лет человечество жило так же, как и животные. Затем случилось нечто, что высвободило силу нашего воображения. Мы научились разговаривать».
Аналогичный революционный скачок в настоящее время наблюдается и в области технологий. Технологии учатся общаться. В результате появились новые аналитические возможности, процессы и решения. Развитие коммуникационных технологий происходит очень быстро, постоянно реагируя на новейшие требования. Одной из движущих сил этих инноваций является Интернет вещей (IoT), платформа, позволяющая обмениваться измеренными значениями и передавать дистанционные команды между технологиями, которые раньше работали самостоятельно.
Теперь мы видим автомобили, связывающиеся с автостоянками, счетчики влажности почвы с экспертными системами, которые передают данные на комбайны, или холодильник на кухне, связывающийся со списком покупок в мобильном телефоне.
В современных городах на технологии Интернета вещей можно наткнуться почти на каждом углу. Однако возникает следующий вопрос: как обеспечить качественную передачу данных в такой открытой среде, в которой, несомненно, находятся города, где зачастую приходится проводить беспроводную передачу данных?
Погодная станция, установленная на столбе уличного фонаря, камера слежения за дорожным движением или браслет медицинской сигнализации с кнопкой «помощь» на запястье пенсионера — все это предъявляет различные требования к коммуникации.
В настоящее время мы можем выбрать одну из следующих коммуникационных технологий.
Самой широко используемой технологией в домашних хозяйствах и общественных местах на сегодняшний день является, несомненно, Wi-Fi. Эта проверенная временем, постоянно совершенствующаяся технология подходит для передачи больших объемов данных с различных устройств, таких как бытовая электроника, например, мобильные телефоны или планшеты. Однако его недостатками являются высокая передаваемая мощность, перегрузка оконечного прибора и ограниченный диапазон сигналов (обычно не более сотен метров на открытой местности). Вот почему мы редко выбираем простые или одноцелевые устройства, использующие Wi-Fi. С другой стороны, то, что Wi-Fi не хватает в радиусе действия, он составляет в скорости и потоке данных. Сегодня мы видим первые внедрения сетей Wi-Fi mesh, которые могут привести к новым возможностям применения и более широкому внедрению в будущем. Интересный пример покрытия всей территории страны беспроводным доступом в Интернет можно увидеть в Барселоне.
Это были первые массово развернутые технологии беспроводной связи. В городах их абсолютное преимущество заключается в надежности передачи, покрытии и широком ассортименте устройств. Например, устройства связи через GSM/GPRS становятся ценным источником информации для систем оценки трафика. Не зная этого, мобильные телефоны обмениваются информацией о трафике с такими службами, как Google Maps или Яндекс.Карты. Недостатки, на которые многие надеются и ожидают скоро будут устранены.
Это заключается в том, что для сетей требуется SIM-карта, что исключает определенные области применения, в которых невозможно использовать SIM-карты, например, из-за нехватки места.
Изначально SigFox был французской технологией, но на сегодняшний день является самой быстрорастущей в мире IoT-операцией с присутствием в 60 странах. Он был разработан в основном для обеспечения простой и быстрой связи между сенсорными устройствами в пределах их беспроводной сети.
Помимо SigFox, это, вероятно, самая широко используемая WAN (глобальная вычислительная сеть). Однако, в отличие от SigFox, у него есть не только один оператор, что означает, что каждый может не только построить собственную сеть LoRaWAN в соответствии со своими потребностями, но и обслуживать ее самостоятельно. Эта технология часто является предпочтительным выбором для счетчиков воды, газа или электроэнергии в пределах одного здания или в более крупных зданиях. LoRaWAN также обеспечивает энергосберегающую двустороннюю связь, благодаря чему простой датчик, оснащенный небольшим аккумулятором, может передавать данные до 10 лет. Как и SigFox, LoRaWAN также имеет хороший диапазон сигналов, поэтому часто используется в труднодоступных районах без GSM-сигнала.
NB-IoT часто рассматривается как технология, которая устранит большинство недостатков, от которых страдают ее нынешние конкуренты. Однако самой большой проблемой до сих пор является ее ограниченное развертывание, это означает, что мы не располагаем достаточной информацией о ее применении.Эта технология зависит от покрытия сети 4G и будет использоваться в основном существующими телекоммуникационными компаниями, которые уже имеют инфраструктуру. Поэтому мы можем ожидать хорошего внутреннего и наружного покрытия. В соответствии со своей спецификацией NB-IoT должен работать быстрее LoRa(WAN) и предлагать лучшее качество обслуживания (QoS). В ближайшем будущем разработка этой технологии, безусловно, заслуживает внимания.
Как и Wi-Fi, это широко используемая технология. Сегодня каждый смартфон оснащен чипом Bluetooth. Он был специально разработан для коммуникации на короткие расстояния. Однако Bluetooth не следует путать с BLE (Bluetooth Low Energy). В то время, как традиционный Bluetooth был разработан в основном для непрерывной передачи данных, например, для передачи звука в беспроводных наушниках, BLE фокусируется на низкоэнергетической передаче данных в устройствах, рассчитанных на работу от батареи в течение нескольких лет. Обычно он используется в так называемых маячках, т.е. в небольших передатчиках, которые непрерывно передают сообщения. После установки необходимого мобильного приложения BLE может помочь ориентироваться в торговом центре, следить за количеством посетителей, измерять температуру в помещении или уровень углекислого газа. BLE также используется в так называемых носимых предметах одежды, таких как фитнес-браслеты. Они оснащены миниатюрными батареями и могут работать в течение нескольких дней или недель на одной зарядке.
Эта беспроводная технология заслуживает особого внимания, потому что она существенно отличается от других. Она использует так называемые технологии сбора энергии, которые позволяют ей работать без кабеля, батареи или другого источника питания. Он черпает энергию из своей окружающая среды, с помощью солнечных батарей (свет), термоэлектрических панелей (тепло) или механических выключателей (кинетическая энергия). Таким образом, он не страдает от недостатка, присутствующего в его соперниках: необходимости регулярной замены батареи. Технология EnOcean особенно хорошо подходит для использования в зданиях, для которых она предлагает самый широкий ассортимент продукции. Наиболее интересными из них являются термостатические головки, потребляющие энергию от радиаторов, или оконные ручки, которые после поворота заряжают электронные устройства и посылают сигнал в систему управления, что окно открыто.
ZigBee, несомненно, является одной из самых популярных беспроводных технологий для использования внутри помещений. Многие производители адаптировали эту технологию, включая Philips с ее системой освещения HUE или IKEA с ее устройствами TRADFRI. Он также имеет промышленное применение, например, в интеллектуальных счетчиках. Эта технология использует ячеистые сети и имеет низкое энергопотребление благодаря своему спящему режиму, в который устройство может входить при определенных обстоятельствах и таким образом экономить заряд батареи.
Компании, занимающиеся внедрением, иногда предлагают решения, основанные на собственных протоколах, т.е. протоколах, которые обычно разрабатываются одним производителем и несовместимы друг с другом, или нуждаются в преобразователях протоколов для достижения интероперабельности. Хотя это и приветствуется в домашних системах безопасности с беспроводным управлением, устройства IoT обычно избегают использования таких технологий, поскольку это трудно или почти невозможно.
Некоторые прикладные области могут выиграть от использования нескольких протоколов связи. Возьмем, например, датчики уровня заполнения, установленные в контейнерах для отходов. Как правило, каждый датчик в бункере посылает свои данные измерений в ведущий модуль, который служит концентратором данных. Для установления связи датчики используют энергосберегающий протокол Bluetooth Low Energy. Затем ведущий модуль собирает эти данные и передает их по другому протоколу связи, например, GSM или SigFox. Основным преимуществом данного метода является оптимизация затрат на связь на выходе.
Бывают случаи, когда датчики устанавливаются в труднодоступных местах, или, когда частая смена батареи представляется нежелательной, так как увеличивает затраты на обслуживание. Следовательно, при поиске правильной технологии важно принимать во внимание, как следующие факторы влияют на срок службы батареи:
Требуется иная частота передачи данных, чем у интеллектуального счетчика потребления воды или при измерении, например, максимального потребления электроэнергии в течение 15 минут. С другой стороны, метеорологическая станция, расположенная в центре города и оснащенная датчиками пыли, или датчиками выбросов NOx или Sox, может передавать данные только в том случае, если они превышают предельные значения. Производители универсальных датчиков добавляют в свои устройства функцию сна, которая удерживает датчик в режиме пониженного энергопотребления, один раз в течение заданного периода времени (например, 4 часа) пробуждает его, а затем передает недавно измеренные данные. Некоторые технологии беспроводной связи позволяют модифицировать уровень производительности передачи, что оказывает непосредственное влияние на энергопотребление.
Сети связи обычно используют звездную топологию, т.е. они имеют один главный передатчик/приемник, который выступает в качестве канала и передает сообщения между всеми компонентами сети (например, Wi-Fi, GSM, SigFox и т.д.). Однако в некоторых районах развертывания все чаще встречаются сетчатые сети. Это сеть, участники которой — так называемые узлы — обмениваются данными напрямую, в то время как они также могут пересылать сообщения от своих «соседних» узлов. Поэтому с увеличением количества узлов сети, участвующих в ней, увеличивается ее дальность действия, а зачастую и надежность. Однако, сетка может быть не идеальным выбором для междугородней связи, так как она может потребовать использования большого количества узлов, что автоматически приведет к замедлению передачи данных. Для обеспечения оптимального канала связи, правильное размещение узла является еще одним аспектом, который необходимо учитывать при проектировании и строительстве сети.
Аналогичный революционный скачок в настоящее время наблюдается и в области технологий. Технологии учатся общаться. В результате появились новые аналитические возможности, процессы и решения. Развитие коммуникационных технологий происходит очень быстро, постоянно реагируя на новейшие требования. Одной из движущих сил этих инноваций является Интернет вещей (IoT), платформа, позволяющая обмениваться измеренными значениями и передавать дистанционные команды между технологиями, которые раньше работали самостоятельно.
Теперь мы видим автомобили, связывающиеся с автостоянками, счетчики влажности почвы с экспертными системами, которые передают данные на комбайны, или холодильник на кухне, связывающийся со списком покупок в мобильном телефоне.
В современных городах на технологии Интернета вещей можно наткнуться почти на каждом углу. Однако возникает следующий вопрос: как обеспечить качественную передачу данных в такой открытой среде, в которой, несомненно, находятся города, где зачастую приходится проводить беспроводную передачу данных?
Погодная станция, установленная на столбе уличного фонаря, камера слежения за дорожным движением или браслет медицинской сигнализации с кнопкой «помощь» на запястье пенсионера — все это предъявляет различные требования к коммуникации.
В настоящее время мы можем выбрать одну из следующих коммуникационных технологий.
Wi-Fi
Самой широко используемой технологией в домашних хозяйствах и общественных местах на сегодняшний день является, несомненно, Wi-Fi. Эта проверенная временем, постоянно совершенствующаяся технология подходит для передачи больших объемов данных с различных устройств, таких как бытовая электроника, например, мобильные телефоны или планшеты. Однако его недостатками являются высокая передаваемая мощность, перегрузка оконечного прибора и ограниченный диапазон сигналов (обычно не более сотен метров на открытой местности). Вот почему мы редко выбираем простые или одноцелевые устройства, использующие Wi-Fi. С другой стороны, то, что Wi-Fi не хватает в радиусе действия, он составляет в скорости и потоке данных. Сегодня мы видим первые внедрения сетей Wi-Fi mesh, которые могут привести к новым возможностям применения и более широкому внедрению в будущем. Интересный пример покрытия всей территории страны беспроводным доступом в Интернет можно увидеть в Барселоне.
Сети GSM G/4G
Это были первые массово развернутые технологии беспроводной связи. В городах их абсолютное преимущество заключается в надежности передачи, покрытии и широком ассортименте устройств. Например, устройства связи через GSM/GPRS становятся ценным источником информации для систем оценки трафика. Не зная этого, мобильные телефоны обмениваются информацией о трафике с такими службами, как Google Maps или Яндекс.Карты. Недостатки, на которые многие надеются и ожидают скоро будут устранены.
Это заключается в том, что для сетей требуется SIM-карта, что исключает определенные области применения, в которых невозможно использовать SIM-карты, например, из-за нехватки места.
SigFox
Изначально SigFox был французской технологией, но на сегодняшний день является самой быстрорастущей в мире IoT-операцией с присутствием в 60 странах. Он был разработан в основном для обеспечения простой и быстрой связи между сенсорными устройствами в пределах их беспроводной сети.
LoRa/LoRaWAN
Помимо SigFox, это, вероятно, самая широко используемая WAN (глобальная вычислительная сеть). Однако, в отличие от SigFox, у него есть не только один оператор, что означает, что каждый может не только построить собственную сеть LoRaWAN в соответствии со своими потребностями, но и обслуживать ее самостоятельно. Эта технология часто является предпочтительным выбором для счетчиков воды, газа или электроэнергии в пределах одного здания или в более крупных зданиях. LoRaWAN также обеспечивает энергосберегающую двустороннюю связь, благодаря чему простой датчик, оснащенный небольшим аккумулятором, может передавать данные до 10 лет. Как и SigFox, LoRaWAN также имеет хороший диапазон сигналов, поэтому часто используется в труднодоступных районах без GSM-сигнала.
NB-IoT
NB-IoT часто рассматривается как технология, которая устранит большинство недостатков, от которых страдают ее нынешние конкуренты. Однако самой большой проблемой до сих пор является ее ограниченное развертывание, это означает, что мы не располагаем достаточной информацией о ее применении.Эта технология зависит от покрытия сети 4G и будет использоваться в основном существующими телекоммуникационными компаниями, которые уже имеют инфраструктуру. Поэтому мы можем ожидать хорошего внутреннего и наружного покрытия. В соответствии со своей спецификацией NB-IoT должен работать быстрее LoRa(WAN) и предлагать лучшее качество обслуживания (QoS). В ближайшем будущем разработка этой технологии, безусловно, заслуживает внимания.
Bluetooth/Bluetooth Низкое энергопотребление
Как и Wi-Fi, это широко используемая технология. Сегодня каждый смартфон оснащен чипом Bluetooth. Он был специально разработан для коммуникации на короткие расстояния. Однако Bluetooth не следует путать с BLE (Bluetooth Low Energy). В то время, как традиционный Bluetooth был разработан в основном для непрерывной передачи данных, например, для передачи звука в беспроводных наушниках, BLE фокусируется на низкоэнергетической передаче данных в устройствах, рассчитанных на работу от батареи в течение нескольких лет. Обычно он используется в так называемых маячках, т.е. в небольших передатчиках, которые непрерывно передают сообщения. После установки необходимого мобильного приложения BLE может помочь ориентироваться в торговом центре, следить за количеством посетителей, измерять температуру в помещении или уровень углекислого газа. BLE также используется в так называемых носимых предметах одежды, таких как фитнес-браслеты. Они оснащены миниатюрными батареями и могут работать в течение нескольких дней или недель на одной зарядке.
EnOcean
Эта беспроводная технология заслуживает особого внимания, потому что она существенно отличается от других. Она использует так называемые технологии сбора энергии, которые позволяют ей работать без кабеля, батареи или другого источника питания. Он черпает энергию из своей окружающая среды, с помощью солнечных батарей (свет), термоэлектрических панелей (тепло) или механических выключателей (кинетическая энергия). Таким образом, он не страдает от недостатка, присутствующего в его соперниках: необходимости регулярной замены батареи. Технология EnOcean особенно хорошо подходит для использования в зданиях, для которых она предлагает самый широкий ассортимент продукции. Наиболее интересными из них являются термостатические головки, потребляющие энергию от радиаторов, или оконные ручки, которые после поворота заряжают электронные устройства и посылают сигнал в систему управления, что окно открыто.
ZigBee
ZigBee, несомненно, является одной из самых популярных беспроводных технологий для использования внутри помещений. Многие производители адаптировали эту технологию, включая Philips с ее системой освещения HUE или IKEA с ее устройствами TRADFRI. Он также имеет промышленное применение, например, в интеллектуальных счетчиках. Эта технология использует ячеистые сети и имеет низкое энергопотребление благодаря своему спящему режиму, в который устройство может входить при определенных обстоятельствах и таким образом экономить заряд батареи.
Собственная RF
Компании, занимающиеся внедрением, иногда предлагают решения, основанные на собственных протоколах, т.е. протоколах, которые обычно разрабатываются одним производителем и несовместимы друг с другом, или нуждаются в преобразователях протоколов для достижения интероперабельности. Хотя это и приветствуется в домашних системах безопасности с беспроводным управлением, устройства IoT обычно избегают использования таких технологий, поскольку это трудно или почти невозможно.
Комбинирование нескольких протоколов связи
Некоторые прикладные области могут выиграть от использования нескольких протоколов связи. Возьмем, например, датчики уровня заполнения, установленные в контейнерах для отходов. Как правило, каждый датчик в бункере посылает свои данные измерений в ведущий модуль, который служит концентратором данных. Для установления связи датчики используют энергосберегающий протокол Bluetooth Low Energy. Затем ведущий модуль собирает эти данные и передает их по другому протоколу связи, например, GSM или SigFox. Основным преимуществом данного метода является оптимизация затрат на связь на выходе.
Потребление электроэнергии беспроводными технологиями
Бывают случаи, когда датчики устанавливаются в труднодоступных местах, или, когда частая смена батареи представляется нежелательной, так как увеличивает затраты на обслуживание. Следовательно, при поиске правильной технологии важно принимать во внимание, как следующие факторы влияют на срок службы батареи:
- Частота передачи данных;
- Уровень затухания сигнала передачи;
- Сила сигнала передачи устройства.
Требуется иная частота передачи данных, чем у интеллектуального счетчика потребления воды или при измерении, например, максимального потребления электроэнергии в течение 15 минут. С другой стороны, метеорологическая станция, расположенная в центре города и оснащенная датчиками пыли, или датчиками выбросов NOx или Sox, может передавать данные только в том случае, если они превышают предельные значения. Производители универсальных датчиков добавляют в свои устройства функцию сна, которая удерживает датчик в режиме пониженного энергопотребления, один раз в течение заданного периода времени (например, 4 часа) пробуждает его, а затем передает недавно измеренные данные. Некоторые технологии беспроводной связи позволяют модифицировать уровень производительности передачи, что оказывает непосредственное влияние на энергопотребление.
Сети связи обычно используют звездную топологию, т.е. они имеют один главный передатчик/приемник, который выступает в качестве канала и передает сообщения между всеми компонентами сети (например, Wi-Fi, GSM, SigFox и т.д.). Однако в некоторых районах развертывания все чаще встречаются сетчатые сети. Это сеть, участники которой — так называемые узлы — обмениваются данными напрямую, в то время как они также могут пересылать сообщения от своих «соседних» узлов. Поэтому с увеличением количества узлов сети, участвующих в ней, увеличивается ее дальность действия, а зачастую и надежность. Однако, сетка может быть не идеальным выбором для междугородней связи, так как она может потребовать использования большого количества узлов, что автоматически приведет к замедлению передачи данных. Для обеспечения оптимального канала связи, правильное размещение узла является еще одним аспектом, который необходимо учитывать при проектировании и строительстве сети.