Для запуска успешного IoT-проекта необходимо надежное соединение между устройствами/датчиками и вашей IoT-платформой. Но как выбрать сетевую технологию, которая будет хорошо подходить для вашего проекта? В этой статье мы кратко объясним, что такое IoT-сети, и расскажем о наиболее распространенных, чтобы помочь вам выбрать наиболее подходящий вариант. Для начала давайте определим, что такое IoT-сеть.
Что такое IoT-сеть?
IoT-сеть - это сеть с физически взаимосвязанными объектами, оснащенными датчиками, умными устройствами, которые подключаются и обмениваются данными с другими устройствами и системами без вмешательства человека.
Второе, на что следует обратить внимание, - это понимание бизнес-требований и целей приложения, после чего можно переходить к выбору типа беспроводной сети и технологии протокола IoT на основе следующих критериев:
- Зона покрытия
- Потребляемая мощность
- Плотность объектов
- Объем и характер данных
- Затраты
- Безопасность
- Окружение устройства и т. д.
Учитывая вышеперечисленные критерии, которые должны стать определяющими факторами для вашего решения, необходимо сосредоточиться на конкретном сценарии использования. Давайте рассмотрим основные типы беспроводных сетей, чтобы помочь вам оценить каждый из них для принятия решения и выбора оптимального технологического стека.
Как работает сеть IoT?
По сути, сеть IoT функционирует за счет установления соединений между устройствами, датчиками и системами для облегчения обмена данными, проведения анализа и получения практических выводов. Давайте рассмотрим основные компоненты более подробно.
- IoT-датчики. Датчики составляют основу любой системы IoT. Они используются в сетях IoT для сбора данных в определенных местах или из определенных источников. Датчики IoT, как правило, небольшие, экономичные, хорошо настраиваемые и способные отслеживать широкий спектр переменных. Например, они могут измерять уровень влажности, отслеживать геолокацию, регистрировать колебания температуры, обнаруживать движение, контролировать электрические условия, отслеживать работу компрессора и многое другое.
- Возможность подключения к IoT. Данные, собранные датчиками, передаются в облако или на пограничное вычислительное устройство для обработки. Выбор способа подключения зависит от конкретных задач системы. Если важна низкая задержка и быстрое время отклика, можно отдать предпочтение пограничным вычислительным устройствам, поскольку они сокращают расстояние между датчиком и сервером. Среди различных вариантов беспроводного подключения наиболее популярными являются WiFi и сотовая связь. Ниже мы рассмотрим все доступные варианты.
- Обработка данных IoT. После того как данные попадают в облако или на пограничный сервер, они подвергаются анализу с помощью специализированного программного обеспечения, а затем сохраняются. Анализ данных обычно выполняется с помощью алгоритмов искусственного интеллекта (AI) и машинного обучения (ML). Эти алгоритмы помогают выявлять аномалии и отклонения от нормальных закономерностей, вызывая соответствующие действия или оповещения.
- IoT-интерфейс может быть представлен любым внутренним интерфейсом, через который можно управлять всей IoT-сетью. Администраторы устанавливают условные правила, которые диктуют процессы мониторинга и автоматизации. Определяя эти правила, они обеспечивают работу сети IoT в соответствии с заданными параметрами, что позволяет эффективно управлять и контролировать процесс.
Четыре типа беспроводных сетей IoT
1.Сотовая связь: LTE-M против NB-IoT
LTE-M и NB-IoT относятся к маломощным широкополосным сетям (LPWAN) и оба могут работать в диапазоне 4G. Эти открытые стандарты были представлены 3GPP (3rd Generation Partnership Project) и предназначены для надежной, безопасной и маломощной работы, однако они отличаются по частоте, диапазону, безопасности, стоимости и энергопотреблению. Тем не менее, они считаются одними из самых популярных решений для IoT, поскольку могут покрывать большие территории.
Будучи надежным решением на мобильном потребительском рынке, они развиваются, обеспечивая надежную и высокоскоростную связь. К 2026 году NB-IoT и LTE-M будут охватывать более 60 % из 3,6 млрд подключений к сетям LPWA. Рассмотрим каждый из них подробнее.
LTE-M
LTE-M, также известный как Cat-M1, - это стандарт радиотехнологий, который позволяет повторно использовать установленные базы LTE и оптимизирован для более высокой пропускной способности и мобильных соединений, включая передачу голоса по сети. Он требует большей пропускной способности и более дорогостоящий, чем NB-IoT, но поддерживает высокую плотность соединений и низкое энергопотребление устройств.
С другой стороны, стандарт LTE-M немного дороже, чем NB-IoT, поскольку требует установки шлюза.
Области применения LTE-M: переносные устройства, медицина, кассовые аппараты и системы домашней безопасности.
NB-IoT
NB-IoT, также известный как Cat-NB1, - это узкополосный протокол IoT, требующий меньших затрат и меньшего расхода энергии аккумулятора, однако он использует не традиционный физический уровень LTE, а уже существующие мобильные сети. По сравнению с LTE-M, он не имеет полной поддержки мобильности, но при этом поддерживает огромное количество соединений. Кроме того, он обеспечивает лучшее покрытие внутри помещений и под землей, чем LTE-M.
NB-IoT дешевле, так как устройства с ним имеют более длительное время автономной работы и не нуждаются в шлюзе (данные с датчиков отправляются напрямую на основной сервер).
Области применения NB-IoT: логистика, интеллектуальные приборы учета, сельское хозяйство, а также приложения "умного города".
2. LAN/PAN: WiFi против BLE
Локальные и персональные сети (LAN/PAN) являются экономически эффективными, однако передача данных ограничена из-за особенностей локальной среды. WiFi и Bluetooth относятся к этой категории и широко используются в решениях для подключения IoT.
Bluetooth
Благодаря низкому потреблению энергии и мощности устройства с поддержкой Bluetooth в сочетании с другими электронными устройствами передают данные в облако. Да, вы можете увидеть их широкое применение в медицинских и фитнес-трекерах, устройствах умного дома, данные которых передаются на смартфоны.
Идеальным вариантом использования BLE-устройств является сфера розничной торговли. Они используются для повышения качества обслуживания покупателей в магазине и принятия ими решений о покупке с помощью целевого контента, запускаемого маячками на их смартфонах (навигация по магазину, специальные предложения, скидки, события и т. д., которые рассылаются покупателям в пределах географической близости).
Варианты использования Bluetooth: фитнес-трекинг, маячки, устройства домашней автоматизации.
WiFi
Из-за ограничений в покрытии, масштабируемости и высокого энергопотребления эта технология не слишком подходит для крупных сетей IoT-датчиков, работающих от батарей. WiFi относится к приложениям, работающим в локальных или распределенных средах с несколькими точками доступа, подключенными к розетке. Сети WiFi могут применяться для гаджетов умного дома, камер безопасности, умных домов, медицинского и фитнес-трекинга, в магазинах.
3. LPWAN
Глобальные сети с низким энергопотреблением (LPWAN) - это новый набор беспроводных протоколов, которые могут буквально соединить все типы датчиков IoT и облегчить работу многочисленных приложений, созданных специально для поддержки широкомасштабных проектов IoT. Эти сети могут использоваться устройствами для связи на больших территориях с помощью небольших недорогих батарей с низким энергопотреблением. По сравнению с сотовыми сетями, LPWAN являются экономически эффективным и долгосрочным решением.
Похоже, что LPWAN - одна из лучших сетей; однако, как и у каждой сети, у нее есть свои плюсы и минусы. Недостаток LPWAN заключается в небольших объемах данных, которые она может передавать за один раз, поэтому она может хорошо подойти для случаев использования без высокой пропускной способности.
Учитывая различные цели, существуют лицензированные (NB-IoT, LTE-M) и нелицензированные (LoRa, Sigfox) типы LPWAN. Основной проблемой лицензионных LPWAN является энергопотребление. При внедрении нелицензионных технологий основными вопросами являются качество обслуживания и масштабируемость.
Sigfox
По дальности действия Sigfox находится между Wi-Fi и сотовой связью. Sigfox не нуждается в получении лицензий благодаря используемым частотным диапазонам ISM (Industrial, Scientific, and Medical).
Используя технологию UNB (Ultra Narrow Band), Sigfox стремится к низким скоростям передачи данных при крайне низком потреблении энергии, а также способна поддерживать связь с миллионами устройств, работающих от батарей, на расстоянии 30-50 километров.
Сферы применения Sigfox: умные здания и города: мониторинг воды, мониторинг использования помещений, мониторинг удаленных датчиков.
LoRaWAN
Разработанная для крупномасштабных общественных сетей, зона покрытия LoRaWAN достигает 15 км. Благодаря расширенному радиусу действия LoRaWAN является отличным решением для шумных промышленных объектов с поддержкой миллионов устройств. Низкое энергопотребление LoRaWAN хорошо подходит для IoT-устройств с питанием от батарей, поддерживая их в течение 10 лет.
Примеры использования LoRaWAN: удаленный мониторинг и отслеживание состояния (температура, вибрация, давление), умные города, умное освещение.
4. Протоколы Mesh
Благодаря малой дальности связи протоколы Mesh являются отличным решением для IoT-проектов средней дальности с передачей данных в непосредственной близости. В сетях Mesh обмен данными между сенсорными узлами осуществляется распределенным способом, чтобы достигнуть передачи данных в центральный узел.
Протоколы Mesh являются надежными и популярными решениями для внутридомового и уличного использования, например, для автоматизации интеллектуальных зданий (освещение, работа систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, безопасность, контроль энергопотребления и т. д.), уличного освещения.
Zigbee
Zigbee - один из самых известных ячеистых протоколов, используемых в IoT-приложениях. По сравнению с LPWAN, Zigbee обеспечивает большую передачу данных при гораздо меньшей энергоэффективности благодаря своей конфигурации подключения. Благодаря недорогим и маломощным решениям Zigbee, приложения могут работать от недорогих батарей в течение десяти лет.
Взаимосвязанность сети Zigbee позволяет подключать каждое устройство к сигналу, который передает его другим устройствам по ячеистой сети. Риск сбоя сигнала в одной точке исключен благодаря способности устройств Zigbee увеличивать пути связи, что способствует совместимости и бесшовному соединению с различными производителями.
Еще одна отличительная особенность этого протокола заключается в возможности его безлицензионного использования по всему миру.
Сферы применения Zigbee: автоматическое считывание показаний счетчиков, мониторинг резервуаров, интеллектуальное управление отоплением, вентиляцией и кондиционированием, управление медицинскими устройствами и освещением.
RFID
Протокол RFID (Radio Frequency Identification - радиочастотная идентификация) в основном используется в индустрии отслеживания датчиков. С помощью беспроводных микрочипов, встроенных в IoT-устройства, приемопередатчики отправляют и принимают радиоволны, чтобы передавать небольшие объемы данных в пределах небольших территорий без прямой видимости. Действуя в качестве точки доступа, RFID-считыватели могут принимать и отправлять сообщения на приемопередатчики.
С помощью RFID-чипов ритейлеры могут улучшить планирование закупок, оптимизировать транспортную логистику и получить сквозную видимость данных во всей экосистеме цепочки поставок.
Области применения RFID: отслеживание автопарков, автоматизированные кассы, мониторинг медикаментов, управление цепочками поставок, управление складами, электронные паспорта, человеческие имплантаты, контроль доступа к безопасности и платежи.
Как выбрать наиболее подходящую сеть IoT?
Сценарий использования играет определяющую роль при выборе подходящей IoT-сети для вашего IoT-приложения. Итак, давайте рассмотрим наиболее важные критерии:
- Потребляемая мощность. Если вы ищете долговечное решение, не требующее питания устройства, то для этого случая подойдут сети Bluetooth и LPWAN. Технологии с высоким энергопотреблением, такие как Wi-Fi, не рекомендуются.
- Зона покрытия. Размер территории, которую необходимо покрыть, определяет тип протокола, который необходимо применить для вашего IoT-проекта. В то время как LoRA ограничен национальными границами, сеть Sigfox доступна в 60 странах.
- Объем данных. Если вам нужно передавать небольшие объемы данных, существуют такие решения, как BLE для передачи данных на короткие расстояния или LPWAN для передачи данных на большие расстояния. Для передачи больших объемов данных мы рекомендуем сети Wi-Fi и GSM.
- Плотность размещения устройств. Выбор подходящего протокола IoT зависит от необходимости географической близости или рассредоточенности. Если объекты должны быть подключены близко друг к другу, то хорошим вариантом будет WiFi, а в случае большой плотности рекомендуются сети LPWAN и GSM.
Основные выводы
На рынке представлено множество вариантов сетей IoT. Идеальное универсальное решение для подключения должно поддерживать низкое энергопотребление, а также возможность передачи огромных объемов данных на большие расстояния, обеспечивая высокую безопасность и низкие затраты.
Однако не существует универсального решения, которое будет экономически выгодным для всех интеллектуальных предприятий. Поэтому понимание специфики вашего сценария использования и определение требований к проекту на каждом этапе разработки поможет принять решение о выборе наиболее подходящего протокола сети IoT для вашего проекта.
Искренне Ваш, Небилович Сергей, директор магазина сетевого оборудования EServer.