Översikt över trådlösa tekniker för IoT

Internet of Things (IoT) är både känt och okänt i den moderna världen. Det är ett vanligt begrepp för folk i teknikindustrin och företagsvärlden, men det hörs sällan av den bredare befolkningen, även om det är en del av deras dagliga liv. IoT är hopkopplingen av fysiska objekt som apparater, fordon, byggnader, elektronik och nätverk som gör att dessa kan interagera, samla in och utbyta data. Det gäller miljontals olika produkter, inklusive uppdaterade traditionella produkter som tidigare inte varit anslutna till internet.

Denna artikel kommer att ta en titt på de många sätt som dessa enheter kan kommunicera trådlöst på.

Tre sätt att få in data i molnet

En utmaning med IoT är att få data från enhetens sensor till molnet, där den informationen används, bearbetas och lagras. Den ständiga användningen av Wi-Fi och Bluetooth via smartphones, samt den goda tillgängligheten till mobilmaster och offentliga Wi-Fi-åtkomstpunkter, ger mer åtkomst till molnet för IoT-sensorer än någonsin tidigare. Det finns i princip tre sätt att få in data i molnet.

Sensor till gateway till moln. I vissa tillämpningar är det optimalt att skicka sensordata till en gateway som sedan överför datan effektivt till molnet. Beroende på behoven kan gatewayen omfatta enkla reläsystem till "smarta" plattformar som utför mer datorintensiva funktioner, vilket kallas edge computing eller dataprocessning i molnkanten. Enheter som parkeringssensorer och sensorer för lediga skrivbord använder vanligtvis gateways för att överföra data. Wi-Fi är ett exempel på en gateway. För hemmabruk måste du installera en Wi-Fi-gateway. På offentliga platser där gatewayen redan är installerad, körs Wi-Fi direkt mot molnet. Andra typer av trådlös kommunikation, som Bluetooth, kräver en gateway. Ett exempel på Wi-Fi i hemmet är Hatch Baby Grow, ett smart skötbord och ansluten våg. Det använder Wi-Fi för att överföra data från vågen i skötbordet till hemmets internet. Föräldern och barnläkaren kan spåra molnbaserad information genom en Android- eller iOS-app.

Sensor till mobiltelefon till moln. I vissa fall kan gatewayen vara en mobiltelefon. Smartphones med Wi-Fi eller Bluetooth-funktion fungerar som portar för att skicka data till molnet. Exempelvis har Voler hjälpt till med utvecklingen av öronsnäckor som övervakar äldres balans. De har trådlös Bluetooth LE-överföring till en smartphone där det finns en tillhörande app. Uppgifterna skickas också till molnet från smarttelefonen där vidare bearbetning kan göras och data kan delas.

Smarta enheter direkt till molnet. Sensorn kan anslutas direkt till molnet med hjälp av teknik som NB-IoT, LTE-M eller LoRa. Dessa tekniker kan sända åtskilliga kilometer med mycket låg effekt, så länge datahastigheten är låg. De ansluter till internet via utrustning som vanligtvis installeras i mobilmaster. De fungerar ungefär på samma sätt som mobiltelefoner, förutom att datahastigheten och effekten är mycket lägre. De debiteras månadsvis, men det är vanligtvis en mycket låg kostnad.

Faktorer att tänka på vid planeringen av en trådlös IoT-kommunikationsstrategi inkluderar bl.a.: hur mycket data som ska överföras, hur långt datakällan är från internet, hur mycket effekt som behövs och hur hög den ev. kostnaden är för tjänsten. Den utbredda användningen av smartphones och valet av Wi-Fi- eller Bluetooth-radiostandarder erbjuder mycket bekväma anslutningsmöjligheter. Nyare standarder, som NB-IoT och LTE-M, öppnar upp ytterligare alternativ för det framtida sakernas internet.

Varför behövs nya tekniker?

IoT utvecklas ständigt. Med varje iteration blir strömförbrukningen lägre, den trådlösa kommunikationen längre och funktionerna bättre. Nya apparater kan dra nytta av den nya tekniken och leverera bättre prestanda.

Faktorer att ta hänsyn till vid avvägningar

Varje gång Voler konstruerar en bärbar eller någon batteridriven apparat kräver kunderna att de:

• Kan vara igång längre tid
• Överföra massor av data över långa avstånd
• Har ett litet batteri

Det krävs avvägningar mellan dessa konkurrerande krav. Teknik handlar om kompromisser. Tänk på den systemfunktionalitet som krävs och gör tekniska avvägningar som krävs för att ge optimal prestanda i enlighet med systemkraven. Det är viktigt att samtidigt erbjuda en tillfredsställande användarupplevelse. Resultatet blir en konstruktion med de bästa kompromisserna bland de många valen.

Avvägningsfaktorer

Voler arbetade nyligen med en start-up för att förbättra batterilivslängden för deras anslutna produkt. Denna var baserad på MuratasimpModule ™ med en Arm®-processor och Wi-Fi-sändtagare. De behövde en batteritid på flera veckor och det var mindre än en vecka efter prototypframtagning. Voler reviderade koden för att uppfylla den nödvändiga batteritiden. Den ursprungliga koden fungerade inte som tänkt.

Vid trådlös överföring måste tre saker hanteras: effekt som krävs för att sända, datahastighet och sändningsavstånd. Att välja rätt trådlös standard är viktigt. Se tabellen nedan när ni väljer en trådlös standard för den IoT-apparat som håller på att utvecklas. Tabellen visar de vanliga trådlösa standarderna som används för IoT-apparater, tillsammans med deras egenskaper.

Tabell 1: Vanliga trådlösa standarder och deras kapacitet. (Tabellkälla: Voler)

Olika trådlösa standarder kräver mycket olika effektnivåer. Den erforderliga effekten beror på datahastigheten och sändningsavståndet. Exempelvis kan - se tabell 1 - en apparat kräva 120 mW effekt för att sända 100 bitar data per sekund en kilometer med hjälp av LTE Cellular. Men om du använder Bluetooth LE för att sända 1 meter kan en enhet klara sig med bara 0,15 mW effekt.

Jämförelse av trådlösa IoT-standarder

Tabell 2: En jämförelse av trådlösa IoT-standarder. (Tabellkälla: Voler)

Effektkrav för populära trådlösa alternativ

Om en enhet endast krävs för att överföra data så långt som 10 meter är BLE och Bluetooth tillräckligt. Men IoT-enheter för industriella och kommersiella ändamål som lagerhantering eller bärbara enheter för hälsoövervakning kan kräva längre kommunikation, exempelvis NB-IoT eller LTE-M. Om en apparat skickar mycket data, exempelvis en videokamera, klarar inte BLE detta. Alternativ med hög effekt som Wi-Fi och LTE krävs.

Å andra sidan tillåter trådlösa mobilnätsprotokoll NB-IoT och LTE-M IoT-apparater att överföra data till avlägsna platser med låg effekt. Detsamma gäller för SigFox som kan överföra data så långt som 50 kilometer. Men till skillnad från mobilnätsstandarder med hög datahastighet, kan SigFox bara sända upp till 300 databitar per sekund.

Privat kontra offentligt nätverk

Ett privat nätverk har en gateway installerad och styrs av en operatör för en eller ett begränsat antal användare. Ett offentligt nätverk har en gateway som många användare kan använda genom att betala en månadsavgift. Ett exempel är mobilnätstäckning.

Offentliga nätverk kräver att infrastruktur installeras, exempelvis mobilmaster. Mobiltelefoner är populära och kan enkelt röra sig runt eftersom det finns så många mobilmaster. SigFox och LoRa har begränsad installerad infrastruktur i USA, så en apparat som använder denna teknik fungerar inte på de flesta ställen. LoRa har dock möjlighet att använda ett privat nätverk med en gateway.

År 2019 passerade installationen av infrastruktur för NB-IoT och LTE-M den nivå där 90 % av USA:s befolkning täcks. Detta närmar samma tillgänglighet som mobiltäckning. Även om den har funnits i flera år kan den tekniken äntligen användas i nya apparater. Infrastrukturen finns också i de flesta större länder i världen. En snabb ökning av användningen av NB-IoT och LTE-M är att vänta. Sigfox och LoRa ligger långt efter i installationen av offentlig infrastruktur.

Nedan följer en sammanfattning av privata och offentliga trådlösa alternativ:

Privat

• Båda ändarna av kommunikationen ägs privat
• Den kan installeras var som helst
• Olicensierat spektrum
• Kostnad för installation av basstationer och ändpunkter
• Ingen månadsavgift

Offentlig

• Nätverket ägs av operatören - exempelvis mobilnät
• Fungerar bara där basstationer finns
• Enkel roaming
• Licensierat spektrum
• En månadsavgift för att använda nätverket

När kommer batteritekniken att förbättras?

Om batterierna vore bättre skulle dessa avvägningar vara enklare. Lagring av kemisk energi närmar sig gränsen för sin kapacitet. Det forskas dock mycket på högre täthet och bättre säkerhet.

Om batterierna hade utvecklats som halvledare under de senaste 50 åren, skulle du ha ett batteri stort som ett knapphålshuvud till en kostnad på 10 öre och vilket skulle kunna driva en bil. Det behöver inte sägas att tekniken inte ens är i närheten av detta och aldrig kommer komma dit. Därför begränsas apparater av den plats som krävs för kemisk lagring av energi.

Dagens batterier är cirka 10 % av den ultimata lagringen av kemisk energi, vilket är ungefär som bensin. Bensin har dock problem med säkerheten. Ett annat mer effektivt alternativ är kärnenergi, men det skulle åter bli en säkerhetsfråga för att inte nämna ett portabilitetsproblem. Det kommer att ske stegvisa förbättringar av batterier i framtiden, men förändringarna kommer att vara långsamma.

Kostnadsöverväganden

Många tillverkare av IoT-apparater investerar i säkerhet för att hålla sina produkter överkomliga i pris och påskynda marknadsinträdet. Att integrera säkerheten under utvecklingsfasen kan lägga till avsevärd kostnad och utvecklingstid. Att bygga IoT-enheter med svag IoT-säkerhet kan dock leda till mer skadliga konsekvenser inte bara för kunderna, utan också för tillverkarens varumärke - när det gäller förlorad produktivitet, böter för lag-/regelöverträdelser, skadat rykte och monetära förluster.

Den trådlösa standard som väljs för IoT-apparater kan avsevärt påverka dess prestanda, användbarhet, säkerhet och tillförlitlighet. Den bästa standarden för en IoT-produkt beror på dess tillämpning. Att känna till apparatens syfte kan bidra till att fastställa de viktigaste kraven för att bygga den, exempelvis hur mycket ström den behöver för att fungera effektivt, hur snabbt den ska överföra data och hur länge batteriet behöver hålla.

Voler Systems team av IoT-utvecklingsexperter kan vägleda en konstruktör att välja rätt trådlös standard för IoT-maskiner. Kontakta en IoT-expert nu för att lära dig mer om att välja rätt trådlös standard för alla former av utveckling av IoT-produkter.