Az IoT-kapcsolat már az űrig ér

Az IoT az ötlet felmerülése óta hatalmas ugrásokban fejlődik. A vagyontárgyak nyomon követése a legnépszerűbb felhasználási esetek közül is kiemelkedik. A nyomon követett eszközök között szinte mindent megtalálhatunk a hajókonténerektől a létfontosságú gyógyszereken és a drága gépeken keresztül az élőállat-szállítmányokig. Ezek némelyike kimondottan mobilis, a világ számos országában és régiójában előfordulhatnak, ahol sem celluláris, sem LPWAN-lefedettség nem áll rendelkezésre.

Egy közelmúltbeli innovációnak köszönhetően a vezeték nélküli IoT-kapcsolat biztosítása alacsony pályán keringő műholdakon keresztül is lehetségessé vált. Cikkünkben körbejárjuk, hogy a műholdas IoT (SatIoT) milyen módon kínál költséghatékony megoldást a globális IoT-kapcsolatok kivitelezésére, miközben bemutatjuk az Astrocast termékkínálatát.

Vezetékmentes IoT/IIoT-kapcsolat

A dolgok internetének (IoT) eredete kissé homályos, de számos, a témával foglalkozó forrás megemlíti a Carnegie Mellon Egyetemen a korai 80-as években telepített üdítőital-automatákat. Maga a kifejezés sem létezett egészen 1999 végéig, amikor az IoT fejlődése egyre lendületesebbé vált, és Kevin Ashton előállt ezzel az elnevezéssel. Fejlődése és az iparban történő alkalmazása – sok elektronikai alapú innovációhoz hasonlóan – ciklusosan zajlik. A fejlesztések és a kereslet ciklikussága jól ismert folyamat, nem véletlen, hogy az IoT, és ipari testvére az ipari dolgok internete (IIoT) felemelkedésében és térhódításában egyaránt felfedezhető ez a ciklikus mintázat. Jó példa erre az akkumulátoros eszközök elterjedése, ami alacsony fogyasztású működés iránti igényt generált, és valódi térhódításuk csupán az ultraalacsony fogyasztású mikrokontrollerek színre lépését követően vált lehetségessé. Kezdetben az IoT-eszközök vezetékes Ethernet-hálózatokba kerültek bekötésre, azonban a számtalan potenciálisan mobilitásra alapuló felhasználási lehetőség megteremtette az alacsony fogyasztású vezeték nélküli kapcsolat iránti igényt. Így létrejöhettek az alacsony fogyasztású, nagy kiterjedésű hálózatok (low-power wide area networks – LPWAN).

Vezeték nélküli csatlakoztathatóság az IoT számára

A kezdetekben az IoT/IIoT eszközök vezeték nélküli csatlakoztathatósága kimerült az otthoni, irodai és üzemi Wi-Fi-eszközök használatában. Azonban a Wi-Fi adatátviteli képességei messze meghaladják az egyszerű IoT-érzékelők többségének igényeit. A Wi-Fi ráadásul egy kifejezetten energiaigényes vezeték nélküli protokoll, ami az eszközök vezetékes tápellátását vagy hatalmas akkumulátorkapacitást igényel a megfelelő működéshez. A mobiltelefonos adatkapcsolat a kezdetekben szintén egy igencsak költséges alternatívának számított. A keskenysávú IoT-szolgáltatás 2016-ban került bele a 3GPP celluláris specifikációiba, számos IoT-érzékelő számára ideális alacsony fogyasztású, kis sávszélességű kapcsolatot kínálva. A földrajzilag szétszórt IoT-telepítések számára az olyan Ghz alatti LPWAN-protokollok, mint például a LoRa kínáltak alacsony költséggel járó, engedélyezést nem igénylő frenkvencián működő alternatívát a mobilcellás megoldásokkal szemben.
Ahogy növekedett a vezeték nélküli csatlakozási lehetőségek kínálata, úgy bővültek a lehetséges alkalmazási esetek is. Habár a kezdeti akkumulátoros vezeték nélküli alkalmazások (például a közüzemi fogyasztásmérők) jó része fix telepítésű volt, a nyomkövető IoT-eszközök kifejlesztésének lehetősége felgyorsította a technológia elterjedését. Napjaink legelterjedtebb IoT-alkalmazási területe a különböző eszközök nyomon követése, az Ázsiából Európába hajózó szállítókonténerektől egyetlen dolgozóig egy nagy területre kiterjedő kutatóközpontban. A követett eszközök igen széles skálán helyezkednek el, a drága berendezésektől a sürgős orvosi ellátáshoz szükséges egyedi szállítmányokig. Egy másik tipikus eszközkövető és -felügyelő alkalmazási terület a mezőgazdaság, ahol jelentős előnyökkel jár az alacsony fogyasztású, LPWAN-csatlakozású érzékelők használata.
A megfelelő vezeték nélküli kapcsolódási mód kiválasztása során a mérnököknek számos szempontot kell figyelembe venniük:

Földrajzi kiterjedés: Mi az, amit követni vagy amivel kommunikálni kell? Milyen távolságot kell lefedni? Csak egy központi hely pár kilométeres körzetéről van szó, mint egy farm esetében, vagy egy világ körül utazó szállítókonténerről? Mekkora precizitás szükséges a nyomon követéshez? Egy teherautó helyzetét elég lehet három km alatti pontossággal ismerni, de egy munkatárs kutatóintézeten belüli pozíciójának meghatározása méteres tartományon belüli pontosságot igényel. Országhatárok és régiók átlépésekor felmerülhet a mobil-roaming igénye, ráadásul tartalék megoldásra is szükség lehet, az elsődleges kommunikációs mód kiesése esetére.

Energiaforrás: A leginkább rugalmas megoldást az akkumulátoros üzemmód kínálja, az újratölthető akkumulátorok pedig hosszabb üzemidőt biztosítanak, amennyiben van elegendő hely napelemek számára, vagy kivitelezhető a környezeti vagy irányított energiaforrások felhasználása. Az eszközök működési ciklusa hatással van az akkumulátor élettartamára. Míg egy napi egyszeri kommunikációt végző nyomkövető megfelelő egy hajókonténer számára, nem alkalmas helyi szállítások megfigyelésére.

Késleltetés és az adatcsomagok mérete: Milyen nagyságú és milyen gyakori az adatátvitel, szükség van-e valós idejű interakcióra? Egy egyszerű hőmérséklet- és páratartalom-mérő akár 10 byte-nál kisebb adatforgalommal is beéri, szemben az ipari vezérlési folyamatok látásalapú érzékelőivel.
Ahogy növekszik az IoT-alkalmazások száma (különösképpen az olyan globális területen, mint az eszközkövetés vagy földrajzilag szétszórt területek lefedése), egyre nagyobb valószínűséggel támad igény a különböző kapcsolódási módszerek egy eszközben történő integrálására. A műholdas technológiák fejlődése és bevezetésük költségeinek csökkenése számos alkalmazási terület számára teszi egyre vonzóbbá az IoT-eszközök műholdas csatlakozását.

Műholdas IoT-csatlakozás

A kommunikációs műholdak űrbe telepítése nem új keletű jelenség, az első próbálkozások már a korai 60-as években megtörténtek. Az elmúlt évtizedben azonban drámaian megnőtt a kompakt kivitelű, sokszor egy cipősdoboznál nem nagyobb, olcsó műholdak száma. Ezeket a kis műholdakat CubeSat és NanoSat névvel illetik. Népszerűségük annyira megnövekedett, hogy manapság már főiskolák és egyetemek is építenek ilyen apró műholdakat, amiket a NASA vagy egyéb kereskedelmi műholdak indításával foglalkozó vállalkozások juttatnak az űrbe. A 1U nanoszatelit mérete 10 × 10 × 10 cm és jellemzően nem nyom többet 1,3 kilogrammnál. A NASA CubeSat Launch Initiative programjával alacsony költségű hozzáférést kínál az űrhöz oktatási intézmények, múzeumok és tudományos központok számára. Egy időben CubeSat-ok tucatjainak kilövése lehetséges.
A műholdak a három Föld körüli pálya valamelyikén helyezkednek el (lásd az 1. ábrát).

1. ábra A GEO, MEO és LEO pályák elhelyezkedése és távolsága a Földhöz képest, a kommunikációs késleltetési adatokkal (Forrás: Mouser )

 
A geostacionárius pályák lehetővé teszik, hogy a műhold a Föld felszínéhez képest egy fix ponton helyezkedjen el. Fontos figyelembe venni, hogy a távolság függvényében a késleltetés jelentős, akár 0,6 másodperc is lehet. Az olyan televíziós műholdak, mint a népszerű, négy GEO-pályán keringő műholdból álló Astra 1 konstelláció, rádió-, televízió- és interaktív csatornákon sugároznak Európa felé a Földtől 35 768 kilométer távolságból. A legtöbb GNSS-műhold (global navigation satellite system – globális navigációs műholdas rendszer) közepes Föld körüli pályán, mintegy 22 000 km magasságban kering.
Az IoT-kapcsolódást lehetővé tevő CubeSat-konstellációk telepítése számos alkalmazási esetben egyre inkább megvalósítható. Habár a Földön lévő IoT-eszközök számára az egyes CubeSat-ok csupán rövid ideig láthatók, naponta 10-12 áthaladással lehet számolni, ami tovább növelhető a konstelláció újabb CubeSat-okkal történő bővítésével. Ráadásul egy LEO-pályán lévő CubeSat késleltetési ideje lényegesen kisebb a magasabb pályákhoz képest, így több mint megfelelő a legtöbb nem determinisztikus alkalmazás számára.
A SatIoT-kapcsolat jelentős előnyt jelent az olyan alkalmazási területek számára, mint az okos mezőgazdaság, globális eszközkövetés és a nehézgépek teljesítményének megfigyelése. További felhasználási esetek például a mélytengeri bólyákról történő adatgyűjtés vagy a tengeri hajózás üzemanyag-optimalizálása.

Az Astrocast SatIoT-csatlakoztathatóságot kínál

Az Astrocast egy IoT-kapcsolatot biztosító szolgáltató, amely 2019 óta bocsát fel mintegy 5 kg-os tömegű CubeSat-okat elsősorban a SpaceX segítségével. A legutóbbi, 2023 januárban végrehajtott felbocsátás során négy 3U méretű (10 × 10 × 34 cm) CubeSat-ot állítottak pályára, 18-ra növelve a szolgáltató műholdjainak számát. A 2. ábrán láthatók az Astrocast CubeSat-ok fellövés előtti utolsó ellenőrzésük során.

2. ábra Astrocast CubeSat-ok (Forrás: Astrocast)

A műholdak építésén és telepítésén kívül az Astrocast a műholdas hálózatával történő közvetlen kommunikációra optimalizált, nagy integráltságú, alacsony fogyasztású, L-sávú modulcsaládot is kínál Astronode néven.
Az Astrocast-hálózat kétirányú, alacsony (15 percnél kevesebb) késleltetésű kapcsolatot kínál a teljes konstellációval, valamint lehetővé teszi az eszközök vezeték nélküli frissítését. A teljes kapcsolatot többszintű, 256 bites AES titkosítás védi. A 3. ábrán az Astrocast SatIoT-szolgáltatás magas szintű felépítése látható.

3. ábra Az Astrocast SatIoT-szolgáltatása (Forrás: Astrocast)

 
Az Astronode S modult (lásd a 4. ábrát) kifejezetten eszközök Astrocast Satellite IoT-hálózathoz történő csatlakoztatásához tervezték. A modul egy ARM Cortex M33 mikrokontrollert és egy szabadalmaztatott, az Astrocast műholdhálózattal történő kommunikációt szolgáló ASIC L-sávú rádió-adóvevőt tartalmaz. A modul az azt tartalmazó IoT-eszközzel a GPIO-portok mellett egy kisfogyasztású UART-on keresztül kommunikál. Az adatok akár nyolc üzenetben eltárolhatók az Astronode üzenetpufferében, egyenként maximum 160 byte méretben. Ezek automatikusan továbbításra kerülnek a műhold következő áthaladásakor. Adatátvitel közben az eszköz fogyasztása 76 mA, míg alvó módban mindössze 320 nA. A kimenő adóteljesítmény maximum +20 dBm.
Az Astronode S+ modulban egy Astronode S adóvevőmodul és egy kompakt, L-sávú működésre optimalizált, kerámia Astronode patch antenna található, ami tág sugárszélességgel, +3 dBic erősítéssel és 50 Ω impedanciával rendelkezik.

4. ábra Az Astronode S SatIoT adóvevőmodul (Forrás: Astrocast)

A műholdas IoT-csatlakoztathatóság tovább bővíti a globális IoT-felhasználás lehetőségeit

Ahogy bővül az IoT/IIoT felhasználási esetek száma, úgy válik egyre fontosabbá a globális, olcsó és alacsony fogyasztású IoT-csatlakoztathatóság. A múltban a műholdas kommunikáció kizárólag a kormányzati ügynökségek és a nemzeti kutatóintézetek kiváltsága volt. A műholdalapú IoT szemlátomást kaput nyit a valóban globális, olcsó és kis energiaigényű összeköttetéshez a kereskedelmi alkalmazások számára is. A SatIoT meglévő vezeték nélküli protokollokkal kombinálva rendkívül rugalmas és sokoldalú megközelítést kínál az IoT-csatlakoztathatóság terén.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics

Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com
Kövessen bennünket Twitteren:
https://twitter.com/MouserElecEU