Trådløs teknologi oversigt til IoT

Internet of Things (IoT) er både kendt og ukendt i den moderne verden. Det er en almindelig betegnelse for enkeltpersoner i den tekniske industri og erhvervsliv, men kun sjældent hørt af den generelle befolkning, selvom det er en del af deres daglige liv. IoT er forbindelsen mellem fysiske objekter såsom enheder, køretøjer, bygninger, elektronik og netværk, der giver dem mulighed for at interagere, indsamle og udveksle data. Det gælder for millioner af forskellige ting, herunder opdaterede traditionelle produkter, der tidligere ikke har haft forbindelse til internettet.

Denne artikel vil se på de mange måder, hvorpå disse enheder kan kommunikere trådløst.

Tre måder at få data ind i skyen

En udfordring ved IoT er at få data fra enhedens sensor til skyen, hvor disse data bruges, behandles og lagres. Den allestedsnærværende brug af Wi-Fi og Bluetooth via smartphones sammen med den udbredte tilgængelighed af mobiltelefontårne og offentlige Wi-Fi-adgangspunkter giver mere adgang til skyen for IoT-sensorer end nogensinde før. Der er tre grundlæggende måder at få data til skyen på.

Sensor til gateway til skyen. I nogle applikationer er det optimalt at sende sensordataene til en gateway, som derefter transmitterer dataene effektivt til skyen. Afhængigt af applikationsbehovet kan gatewayen variere fra enkle relæsystemer til "smarte" platforme, der udfører mere beregningsintensive funktioner kaldet "kantbehandling". Enheder som parkeringssensorer og skrivebordsbrugssensorer er typisk afhængige af gateways til at overføre dataene. Wi-Fi er et eksempel på en gateway. Til brug i hjemmet skal du installere en Wi-Fi-gateway. På offentlige steder, hvor gatewayen allerede er installeret, fungerer Wi-Fi direkte til skyen. Andre typer trådløs kommunikation, såsom Bluetooth, kræver en gateway. Et eksempel på Wi-Fi i hjemmet er Hatch Baby Grow, en smart platform og tilsluttet skala. Det bruger Wi-Fi til at transmittere data fra skalaen i platformen til hjemmets internet. Forælderen og børnelægen kan spore skybaseret information via enten en Android- eller iOS-applikation.

Sensor til mobiltelefon til skyen. I nogle tilfælde kan gatewayen være en mobiltelefon. Smartphones med Wi-Fi eller Bluetooth-funktion fungerer som gateways til at sende data til skyen. For eksempel,Voler hjulpet med udviklingen af ørepropper, der overvåger ældre for balance. De har Bluetooth LE trådløs transmission til en smartphone, hvor der er en tilknyttet app. Dataene sendes også til skyen fra smartphonen, hvor yderligere behandling kan udføres og data kan deles.

Smart enhed direkte til skyen. Sensoren kan oprette forbindelse direkte til skyen ved hjælp af teknologi som NB-IoT, LTE-M eller LoRa. Disse teknologier transmitterer i miles med meget lav effekt, så længe datahastigheden er lav. De opretter forbindelse til internettet via udstyr, der normalt er installeret i mobiltelefontårne. De fungerer stort set på samme måde som mobiltelefoner fungerer undtagen datahastigheden og strømmen er meget lavere. Der opkræves en månedlig afgift, men det er typisk meget lille.

Faktorer, der skal overvejes i planlægningen af en trådløs IoT-kommunikationsstrategi, inkluderer: hvor meget data der overføres, hvor langt datakilden er fra internettet, hvor meget strøm der kræves, og hvor høje omkostningerne er for tjenesten, hvis nogen. Den udbredte brug af smartphones og valget af Wi-Fi- eller Bluetooth-radiostandarder tilbyder meget praktisk forbindelse. Nyere standarder, såsom NB-IoT og LTE-M, åbner flere muligheder for fremtidens tingenes internet.

Hvorfor er der brug for nye teknologier?

IoT udvikler sig stadig. Med hver iteration følger lavere strømforbrug, længere trådløs kommunikation og bedre funktioner. Nye enheder kan drage fordel af den nye teknologi og give bedre ydeevne.

Hvad skal overvejes for afvejninger

Hver gang Voler designer en bærbar enhed eller en hvilken som helst batteridrevet enhed, kræver kunderne, at den:

• Kør i lang tid
• Overfør masser af data over lang afstand
• Har et lille batteri

Der er kompromiser med disse konkurrerende krav. Ingeniørarbejde handler om kompromiser. Overvej den krævede systemfunktionalitet, og gør de tekniske afvejninger nødvendige for at give optimal ydeevne i overensstemmelse med systemkravene. Det er vigtigt samtidig at give en tilfredsstillende brugeroplevelse. Resultatet er et design med de bedste kompromiser blandt de mange valg.

Afvejning overvejelser

Voler arbejdede for nylig med en opstart af forbedre batteriets levetid af deres tilsluttede produkt. Det var baseret på Murata'simpModule™ med enArm® processor og Wi-Fi-transceiver. De havde brug for en batterilevetid på mange uger, og det var mindre end en uge efter prototyping. Voler reviderede koden for at imødekomme den nødvendige batterilevetid. Den oprindelige kode fungerede ikke som beregnet.

I trådløs transmission skal tre ting styres: den krævede effekt til transmission, datahastigheden og transmissionsområdet. Det er vigtigt at vælge den rigtige trådløse standard. Se tabellen nedenfor, når du vælger en trådløs standard til den IoT-enhed, der skal designes. Tabellen viser de almindelige trådløse standarder, der bruges til IoT-enheder sammen med deres egenskaber.

Tabel 1: Fælles trådløse standarder og deres muligheder. (Tabel kilde: Voler)

Forskellige trådløse standarder kræver meget forskellige niveauer af strøm. Den krævede effekt afhænger af datahastigheden og transmissionens rækkevidde. For eksempel med henvisning til tabel 1 kan en enhed kræve 120 mW strøm til at transmittere 100 bit data pr. Sekund en kilometer ved hjælp af LTE Cellular. Men ved hjælp af Bluetooth LE til at transmittere 1 meter behøver en enhed muligvis kun 0,15 mW strøm.

Sammenligning af IoT trådløse standarder

Tabel 2: En sammenligning af trådløse IoT-standarder. (Tabel kilde: Voler)

Strømkrav til populære trådløse indstillinger

Hvis en enhed kun skal sende data så langt som 10 meter, er BLE og Bluetooth tilstrækkelige. Men IoT-enheder til industrielle og kommercielle formål såsom lagerstyring eller bærbare enheder til sundhedsovervågning kan kræve kommunikation over længere rækkevidde, såsom NB-IoT eller LTE-M. Hvis en enhed sender en stor mængde data, f.eks. Et videokamera, kan BLE ikke håndtere det. Højeffektive valg som Wi-Fi og LTE er påkrævet.

På den anden side tillader cellulære trådløse protokoller NB-IoT og LTE-M, at IoT-enheder kan overføre data til fjerne steder ved lav effekt. Det samme gælder for SigFox, som kan overføre data så langt som 50 kilometer. Men i modsætning til cellulære standarder med en høj datahastighed kan SigFox kun transmittere op til 300 bit data pr. Sekund.

Privat vs. offentligt netværk

Et privat netværk har en gateway installeret og styret af en udbyder til en eller et begrænset antal brugere. Et offentligt netværk har en gateway, som mange brugere kan bruge ved at betale et månedligt gebyr. Et eksempel er mobilservice.

Offentlige netværk kræver, at der installeres infrastruktur, såsom mobiltelefontårne. Mobiltelefoner er populære og kan let bevæge sig på grund af den udbredte installation af mobiltelefontårne. SigFox og LoRa har begrænset infrastruktur i USA, så en enhed, der bruger denne teknologi, fungerer ikke de fleste steder. LoRa har dog mulighed for et privat netværk ved hjælp af en gateway.

I 2019 bestod installationen af infrastruktur til NB-IoT og LTE-M det punkt, hvor 90% af den amerikanske befolkning er dækket. Det nærmer sig tilgængeligheden af mobildækning. Selvom det har eksisteret i årevis, kan denne teknologi endelig bruges i nye enheder. Infrastrukturen er også på plads i de fleste større lande i verden. Forvent en hurtig stigning i brugen af NB-IoT og LTE-M. Sigfox og LoRa er langt bagud i forbindelse med installation af offentlig infrastruktur.

Nedenfor er et resumé af de private og offentlige trådløse muligheder:

Privat

• Begge ender af kommunikationen ejes privat
• Det kan installeres hvor som helst
• Ikke-licenseret spektrum
• Omkostninger til installation af basestationer og slutpunkter
• Intet månedligt gebyr

Offentlig

• Netværket ejes af udbyderen - for eksempel mobilnet
• Fungerer kun, hvor der findes basestationer
• Let roaming
• Licenseret spektrum
• Et månedligt gebyr for brugen af netværket

Hvornår forbedres batteriteknologien?

Hvis batterierne var bedre, ville disse afvejninger være enklere. Kemisk energilagring nærmer sig grænsen for dens effektivitet. Der forskes dog meget på højere tæthed og bedre sikkerhed.

Hvis batterierne havde udviklet sig som halvledere i løbet af de sidste 50 år, ville du have et batteri på størrelse med hovedet på en nål, der ville koste en krone og ville drive din bil. Det er overflødigt at sige, at teknologien ikke engang er eksternt tæt og aldrig vil være. Derfor er enheder begrænset af den plads, der kræves til kemisk lagring af energi.

Dagens batterier er omkring 10% af det ultimative inden for kemisk energilagring, hvilket ville være noget som benzin. Benzin har dog et sikkerhedsproblem. En anden mere effektiv løsning er atomenergi, men der vil igen være et sikkerhedsproblem for ikke at nævne et bærbarhedsproblem. Der vil være stigende forbedringer i batterier i fremtiden, men ændringerne vil være langsomme.

Omkostninger til omkostninger

Mange IoT-enhedsproducenter investerer i sikkerhed for at holde deres produkter overkommelige og fremskynde time-to-market. Integrering af sikkerhed i udviklingsfasen kan tilføje udviklingen betydeligt omkostninger og tid. Opbygning af IoT-enheder med svag IoT-sikkerhed kan dog resultere i mere skadelige konsekvenser ikke kun for kunderne, men også for producentens brand - med hensyn til mistet produktivitet, juridiske bøder/overholdelse af bøder, beskadiget omdømme og monetære tab.

Den trådløse standard, der er valgt til IoT-enheder, kan påvirke dens ydeevne, brugervenlighed, sikkerhed og pålidelighed markant. Den bedst egnede standard for en IoT-enhed afhænger af dens anvendelse. At kende formålet med enheden kan hjælpe med at bestemme de vigtigste krav til opbygning af det, såsom hvor meget strøm det har brug for til at fungere effektivt, hvor hurtigt det skal transmittere data, og hvor længe batteriet skal vare.

Voler System's team af IoT-enhedsudviklingseksperter kan guide en designer gennem valg af den rigtige trådløse standard til IoT-maskiner. Kontakt en IoT-ekspert nu for at lære mere om at vælge den rigtige trådløse standard til ethvert IoT-enhedsdesign.