Több mint Wi-Fi – vezeték nélküli kommunikációs szabványok az IoT területén

Mely technológiák használnak IoT-alkalmazásokat?

A mai világban egyre többféle intelligens eszköz és rendszer vesz körül minket. Feladatuk igen egyszerű, megkönnyíteni az emberek életét. Hangvezérlők, intelligens világítási rendszerek, áramfogyasztást figyelő konnektorok, környezeti érzékelők – az összes ilyen eszköz beleillik a tárgyak internetének (IoT) fogalmába. Ez a cikk áttekintést nyújt az alkalmazásokban használt legnépszerűbb kommunikációs szabványokról.

Mi az az IoT és hogyan működik?
Milyen kommunikációs szabványokat alkalmaznak az IoT-ben?
Milyen IoT-alkalmazásokkal találkozhatunk otthon és a munkahelyeken?
Mely berendezések illeszthetők be egy IoT hálózatba?

Mi az IoT?

Definíciója szerint a tárgyak internete egy olyan digitális hálózat, amely olyan összekapcsolt dolgokból áll, amelyeket összeköt a fizikai világgal. Magát a kifejezést Kevin Ashton brit vállalkozó alkotta meg, aki 1999-ben indította el az IoT-trendet. Más szóval a dolgok internetét olyan összekapcsolt eszközökként írhatjuk le, amelyek képesek adatokat gyűjteni, elemezni és megosztani más eszközökkel. Jó példa erre egy nagyvállalatnál működő okos szellőző- és fűtési rendszer. A létesítmény egész területén elhelyezett érzékelők adatokat gyűjtenek a környezeti feltételekről a gyártási folyamatok során, valamint az irodahelyiségek vagy raktárak területén. Ezek a szenzorok a légkezelő egységek, infravörös fűtőberendezések és kazánok vezérlőivel vannak összekapcsolva, amelyek képesek reagálni az összegyűjtött adatokra, azaz valós időben beállítani az eszközök paramétereit, hogy a hőmérséklet, a páratartalom vagy az oxigénszint a gyár elfogadott szabványainak megfelelő maradjon.

Hogyan működik az IoT?

Az IoT-ökoszisztéma olyan intelligens eszközökből áll, amelyek egy bizonyos típusú, leggyakrabban vezeték nélküli kommunikációt támogatnak. Ezek mikroszámítógépek, érzékelők és kommunikációs hardverek, amelyeket az adatok gyűjtésére és küldésére, valamint a műveletekben való felhasználására használnak. Az IoT-eszközök megosztják az összegyűjtött adatokat, csatlakozva a fő rendszerekhez, amelyek elemzik és feldolgozzák azokat. A mestereszközök más adatgyűjtő alkatrészekkel is kommunikálhatnak, és együttesen egy hatalmas IoT-rendszert alkotnak. A tárgyak internetének hálózataiba tartozó hardverek többnyire emberi beavatkozás nélkül működnek, bár az ember kölcsönhatásba léphet velük – például konfigurálhatja őket, utasításokat adhat nekik vagy hozzáférhet az adatokhoz.

Hogyan kommunikálnak az IoT eszközök?

Az IoT-eszközök általában Wi-Fi hálózaton keresztül vannak összekapcsolva. Ez egy nagyon kényelmes, de néha túlzásba vitt kommunikációs mód. Ráadásul előfordul, hogy egy-egy eszköz az összes hálózat hatótávolságán kívül van. Ilyen esetekben más típusú kommunikációt kell megvalósítani. Éppen ezért a legnépszerűbb IoT kommunikációs protokollok mellett hasznos néhány „hiánypótló” megoldást is megismerni.

Wi-Fi az IoT rendszerekben

A Wi-Fi kétségtelenül a legelterjedtebb kommunikációs módszer az IoT-eszközök között. Egy tipikus Wi-Fi kapcsolat meghatározott frekvenciájú rádióhullámokat használ az adatcseréhez. A legnépszerűbb tartományok a 2,4 GHz és az 5 GHz, de egyre elterjedtebb a 6 GHz is, amely akár 1200 MHz sávszélességet is biztosít. A Wi-Fi-t jellemzően a legfejlettebb, IoT-rendszerbe illeszthető komponensek, azaz okostelefonok, számítógépek és mikroszámítógépek használják. Az ESP8266 és ESP32 minden bizonnyal a legnépszerűbb modulok, amelyek a Wi-Fi szabványt támogatják.

A TME termékkatalógus számos Wi-Fi és Bluetooth modult tartalmaz

Bluetooth

A Bluetooth az egyik legelterjedtebb kis hatótávolságú kommunikációs protokoll. Az ezzel az interfésszel kommunikáló eszközök a teljesítményosztálytól függően 1 m-től akár 100 m-ig terjedő távolságra is képesek adatokat küldeni. Ez a paraméter szorosan kapcsolódik a hatótávolsághoz, és meghatározza az adó kimeneti teljesítményét. Három teljesítményosztály létezik, azaz 1. osztály – 100 mW (20 dBm) teljesítmény, maximális hatótávolság: 100 m; 2. osztály – 2,5 mW (4 dBm) teljesítmény, maximális hatótávolság: 10 m; 3. osztály – 1 mW (0 dBm) teljesítmény, maximális hatótávolság: 1 m. A Bluetooth egy szabványos IoT protokoll, amely a Wi-Fi-hez hasonlóan rádiófrekvenciás hullámokat (jellemzően 2, 4 GHz-en) használ adathordozóként. A Bluetooth viszonylag biztonságos kommunikációs szabvány, amely ideális mobil megoldásokhoz, ahol nincs szükség nagy adatátviteli teljesítményre. A rövid hatótávolság és az alacsony energiafogyasztás a Bluetooth megkülönböztető jellemzői. Meg kell még említeni a BLE-t, azaz a Bluetooth Low Energy szabványt. Ez egy alacsony energiaigényű Bluetooth protokollváltozat, amely főleg kisebb akkumulátorral működő IoT-eszközökhöz használható.

Ethernet

Az IoT-rendszerek nemcsak a vezeték nélküli kommunikációt támogatják, hanem valójában az Ethernet-rendszerekre jellemző vezetékes kapcsolatokat is. Ez nem igazán kényelmes megoldás, mivel az eszközt kábellel kell csatlakoztatni, és ez utóbbi vezetése néha problémás lehet. Bizonyos helyeken azonban egy új IoT-hálózat könnyen kialakítható erre a kommunikációs szabványra alapozva is. Ezek lehetnek a nagyobb vállalatok és gyárak, amelyek létesítményei általában előkábelezettek, hogy megkönnyítsék a nagy teljesítményű hálózati kapcsolatokat. Éppen ezért egy ilyen telephely korszerűsítése érdekében az Ethernet-kapcsolaton alapuló IoT-eszközök különösebb erőfeszítés nélkül üzembe helyezhetők.

Az Ethernet hálózatokat vezetékezni kell

NFC

Az NFC az IoT kommunikációs protokollok egyike. Ez egy alacsony áteresztőképességű és alacsony energiafelhasználású hálózat, amelyet nagyon rövid távolságokon, általában legfeljebb 4 cm-en keresztül történő adatcserére használnak. Sajátos jellemzői miatt ezt a kommunikációs formát egészen különleges körülmények között és helyzetekben használják, például az érintés nélküli fizetés megkönnyítésére. Az NFC alkalmazható hozzáférésvezérlő rendszerekben is, amelyek együttesen egy nagyobb IoT-hálózatot alkotnak.

Zigbee

A ZigBee a Bluetooth-hoz hasonló adatátviteli protokoll. Ezt leginkább ipari környezetben valósítják meg. Ebben az esetben is 2,4 GHz-es frekvenciájú rádióhullámokat használnak adatátviteli célokra. Jellemző tulajdonságai közé tartozik az alacsony energiafogyasztás, a kis átviteli sebesség (legfeljebb 250 kbps) és a lenyűgöző, akár 100 m-es hatótávolság. Bár a Zigbee már jó ideje létezik, ezek a tulajdonságok még mindig tökéletes megoldássá teszik az IoT-alkalmazásokhoz. Ne feledje, hogy a Zigbee hálós topológián alapul. Ez azt jelenti, hogy a hálózat egyszerűen kiépíthető és karbantartható, mivel a csatlakoztatott eszközök közvetlen, dinamikus és nem hierarchikus módon kommunikálnak egymással. Más szóval, minden eszköz képes csatlakozni más, hatótávolságon belül elérhető eszközzel, így a hálózat automatikusan szerveződik.

A bővítő kártyák megkönnyítik az IoT-hálózat fejlesztését

Mobiltelefon-hálózatok

Az IoT-eszközök sikeresen továbbítanak adatokat GSM, 4G/LTE és 5G mobiltelefon-hálózatokon keresztül. Ez a megoldás különösen akkor szerencsés, ha hosszú távú kommunikációra van szükség. Megjegyzendő azonban, hogy a mobilhálózatokon keresztüli átvitel jelentős áramfogyasztást igényel, ezért az ilyen IoT-megoldások tervezésekor figyelembe kell venni az állandó áramellátáshoz való hozzáférést vagy a csupán meghatározott és korlátozott ideig tartó kommunikációt, ami azonban a mobilhálózatokat alkalmatlanná teszi a valós idejű rendszeralkalmazásokra. A fentiek ellenére a mobilhálózatoknak van egy fontos előnye, mégpedig a nagy hatótávolságuk. Jelenleg a mobilhálózat-szolgáltatók biztosítják, hogy a csatlakoztatott IoT-eszközök szinte bármilyen helyen elhelyezhetők legyenek.

LoRaWAN

A LoRaWAN az egyik legnépszerűbb IoT-technológia, amelyet főként olyan eszközök működtetésére terveztek, amelyeknek energiahatékonynak kell lenniük. Ez abból adódik, hogy a protokoll jellemző tulajdonságai közé tartozik az alacsony energiafogyasztás és az alacsony adatátviteli sebesség (0,3 kbps-tól 50 kbps-ig). A LoRaWAN technológia különösen ajánlott a kis méretű, többnyire mobil akkumulátorral működő eszközökhöz. Tökéletesen alkalmas például a vízszintérzékelők számára, amelyeket külszíni bányákban telepítenek. Mivel az eszközök szétszórva helyezkednek el a létesítményben, a készülékek egy központi vezérlőteremmel kommunikálnak, amely akár több kilométerre is lehet. Ez a kommunikációs módszer általában egyirányú, azaz egy érzékelő továbbít adatokat a vezérlőteremnek, általában naponta többször is. Sajnos ez a megoldás lehetetlenné teszi az adatok élő előnézetét, de ennek köszönhetően a létesítményben elhelyezett érzékelő sokkal kevesebb energiát fogyaszt, és akkumulátorról is működtethető.

LoRaWAN-t támogató hálózati kapu

Sigfox

Egy másik érdekes IoT-hoz kapcsolódó megoldás a Sigfox kommunikációs szabvány, amely némileg hasonlít a LoRaWAN-hoz, de számos jelentős különbséget is mutat. A Sigfox lehetővé teszi az adatfogadást nagyszámú eszközről, amelyeknek nem kell állandóan a hálózathoz kapcsolódniuk. A létesítményen belül elhelyezett hardverek kis mennyiségű adatot továbbítanak, ami azt jelenti, hogy egy keret legfeljebb 26 bájt. Ez a szabvány kommunikációs célokra rádiófrekvenciákat használ, azaz Európában és a Közel-Keleten 868 MHz-et, Észak-Amerikában pedig 902 MHz-et. A Sigfox egyik legfontosabb előnye, hogy az eszközök nem kapcsolódnak állandóan egyetlen bázisállomáshoz sem, mivel az adatokat az éterbe küldik, így azokat az éppen hatótávolságon belül lévő bázisállomás fogadja. Ezen túlmenően a Sigfox felhőalapú – ami azt jelenti, hogy minden számítást központi egységekben végeznek –, ezért a terepi eszközök csak adatokat gyűjtenek az érzékelőktől, és elküldik azokat a hálózatba, így működésük kevés energiát fogyaszt, és akkumulátorral is megoldható.

MikroE Sigfox modul

Z-Wave

Ez egy feltörekvő IoT vezeték nélküli kommunikációs protokoll, amelyet otthon automatizálási berendezésekhez terveztek. A Z-Wave egy alacsony fogyasztású rádiófrekvenciás kommunikációs technológia, amely az 1 GHz alatti sávokban működik. Egyidejűleg akár 232 eszköz üzemeltetésére is képes. Ez a fajta kommunikáció különösen alkalmas otthoni automatizálási rendszerelemek, például intelligens lámpák és érzékelők számára.

IoT eszközök alkalmazásai

A dolgok internete hatékonyabbá és kényelmesebbé teszi az emberek munkáját és életét. Az IoT-eszközök életünk szinte minden területén alkalmazhatók. A háztartási környezetben megkönnyítik egy hangalapú asszisztenshez kapcsolódó intelligens érzékelőkből és működtető elemekből álló rendszer létrehozását. A felhasználó egyetlen paranccsal felkapcsolhatja a villanyt, bezárhatja az ablakokat vagy beállíthatja a szoba hőmérsékletét. Az IoT-eszközök az ipari alkalmazásokban is nagyon hasznosak. A korábban már említett – a környezeti feltételek kezelését megkönnyítő – funkciók mellett a tárgyak internetét a termelési folyamatok nyomon követésére vagy a raktári logisztika irányítására is lehet használni. Egy jól megtervezett IoT-rendszer lehetővé teszi, hogy a gyárban zajló összes folyamatot szemmel lehessen tartani. Figyelhető a gépek teljesítménye, a leállások, az ellátási láncok vagy a logisztikai műveletek. Az összes adat összegyűjthető és tárolható, hogy a vállalati működés további optimalizálásának alapjává váljon.

Mik tartozhatnak a tárgyak internetének területére?

Szinte bármilyen eszköz integrálható IoT-rendszerbe, és az alkalmazásoknak csak a felhasználók képzelete szab határt. Minden komponens lehet „okos”, pl. intelligens érzékelők, amelyek az összegyűjtött adatokat a felhőbe küldik, applikációval vezérelhető termosztátok, a világ másik felén található CCTV-kamerák vagy olyan lámpák, amelyek színét egy okosórával lehet állítani. Az IoT-eszközök világa nagyon intenzíven fejlődik. A jelenlegi adatok szerint már több mint 20 milliárd IoT-eszköz működik világszerte, és biztosak lehetünk benne, hogy ez a szám tovább fog nőni.

TME Hungary Kft.
1146 Budapest, Hermina út 17.
Tel.: +36 1 220 67 56
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
https://www.tme.eu/hu/news/library-articles/page/53063/tobb-mint-wi-fi-vezetek-nelkuli-kommunikacios-szabvanyok-az-iot-teruleten/