Для запуску успішного IoT-проєкту необхідне надійне з'єднання між пристроями/датчиками та вашою IoT-платформою. Але як вибрати мережеву технологію, яка буде добре підходити для вашого проєкту? У цій статті ми коротко пояснимо, що таке IoT-мережі, і розповімо про найпоширеніші з них, щоб допомогти вам вибрати найбільш підходящий варіант. Для початку давайте визначимо, що таке IoT-мережа.
Що таке IoT-мережа?
IoT-мережа - це мережа з фізично взаємопов'язаними об'єктами, оснащеними датчиками, розумними пристроями, які підключаються і обмінюються даними з іншими пристроями і системами без втручання людини.
Друге, на що слід звернути увагу, - це розуміння бізнес-вимог і цілей застосунку, після чого можна переходити до вибору типу бездротової мережі та технології протоколу IoT на основі таких критеріїв:
- Зона покриття
- Споживана потужність
- Щільність об'єктів
- Обсяг і характер даних
- Витрати
- Безпека
- Оточення пристрою тощо.
З огляду на перераховані вище критерії, які повинні стати визначальними факторами для вашого рішення, необхідно зосередитися на конкретному сценарії використання. Давайте розглянемо основні типи бездротових мереж, щоб допомогти вам оцінити кожен з них для прийняття рішення і вибору оптимального технологічного стека.
Як працює мережа IoT?
По суті, мережа IoT функціонує завдяки встановленню з'єднань між пристроями, датчиками і системами для полегшення обміну даними, проведення аналізу та отримання практичних висновків. Давайте розглянемо основні компоненти детальніше.
- IoT-датчики. Датчики складають основу будь-якої системи IoT. Вони використовуються в мережах IoT для збору даних у певних місцях або з певних джерел. Датчики IoT, як правило, невеликі, економічні, добре налаштовуються і здатні відстежувати широкий спектр змінних. Наприклад, вони можуть вимірювати рівень вологості, відстежувати геолокацію, реєструвати коливання температури, виявляти рух, контролювати електричні умови, відстежувати роботу компресора і багато іншого.
- Можливість підключення до IoT. Дані, зібрані датчиками, передаються в хмару або на обчислювальний пристрій для обробки. Вибір способу підключення залежить від конкретних завдань системи. Якщо важлива мала затримка і швидкий час відгуку, можна віддати перевагу прикордонним обчислювальним пристроям, оскільки вони скорочують відстань між датчиком і сервером. Серед різних варіантів бездротового підключення найбільш популярними є WiFi і стільниковий зв'язок. Нижче ми розглянемо всі доступні варіанти.
- Обробка даних IoT. Після того як дані потрапляють у хмару або на прикордонний сервер, вони піддаються аналізу за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення, а потім зберігаються. Аналіз даних зазвичай виконується за допомогою алгоритмів штучного інтелекту (AI) і машинного навчання (ML). Ці алгоритми допомагають виявляти аномалії та відхилення від нормальних закономірностей, викликаючи відповідні дії або оповіщення.
- IoT-інтерфейс може бути представлений будь-яким внутрішнім інтерфейсом, через який можна керувати всією IoT-мережею. Адміністратори встановлюють умовні правила, які диктують процеси моніторингу та автоматизації. Визначаючи ці правила, вони забезпечують роботу мережі IoT відповідно до заданих параметрів, що дає змогу ефективно керувати і контролювати процес.
Чотири типи бездротових мереж IoT
1.Стільниковий зв'язок: LTE-M проти NB-IoT
LTE-M та NB-IoT належать до малопотужних широкосмугових мереж (LPWAN) і обидва можуть працювати в діапазоні 4G. Ці відкриті стандарти були представлені 3GPP (3rd Generation Partnership Project) і призначені для надійної, безпечної та малопотужної роботи, однак вони відрізняються за частотою, діапазоном, безпекою, вартістю та енергоспоживанням. Проте, вони вважаються одними з найпопулярніших рішень для IoT, оскільки можуть покривати великі території.
Будучи надійним рішенням на мобільному споживчому ринку, вони розвиваються, забезпечуючи надійний і високошвидкісний зв'язок. До 2026 року NB-IoT і LTE-M охоплюватимуть понад 60 % із 3,6 млрд підключень до мереж LPWA. Розглянемо кожен із них докладніше.
LTE-M
LTE-M, також відомий як Cat-M1, - це стандарт радіотехнологій, що дає змогу повторно використовувати встановлені бази LTE та оптимізований для вищої пропускної спроможності й мобільних з'єднань, зокрема й для передавання голосу мережею. Він вимагає більшої пропускної здатності та більш дорогий, ніж NB-IoT, але підтримує високу щільність з'єднань і низьке енергоспоживання пристроїв.
З іншого боку, стандарт LTE-M трохи дорожчий, ніж NB-IoT, оскільки вимагає встановлення шлюзу.
Галузі застосування LTE-M: переносні пристрої, медицина, касові апарати та системи домашньої безпеки.
NB-IoT
NB-IoT, також відомий як Cat-NB1, - це вузькосмуговий протокол IoT, що вимагає менших витрат і меншої витрати енергії акумулятора, однак він використовує не традиційний фізичний рівень LTE, а вже наявні мобільні мережі. Порівняно з LTE-M, він не має повної підтримки мобільності, але при цьому підтримує величезну кількість з'єднань. Крім того, він забезпечує краще покриття всередині приміщень і під землею, ніж LTE-M.
NB-IoT дешевше, оскільки пристрої з ним мають триваліший час автономної роботи і не потребують шлюзу (дані з датчиків надсилаються безпосередньо на основний сервер).
Галузі застосування NB-IoT: логістика, інтелектуальні прилади обліку, сільське господарство, а також додатки "розумного міста".
2. LAN/PAN: WiFi проти BLE
Локальні та персональні мережі (LAN/PAN) є економічно ефективними, проте передача даних обмежена через особливості локального середовища. WiFi і Bluetooth належать до цієї категорії і широко використовуються в рішеннях для підключення IoT.
Bluetooth
Завдяки низькому споживанню енергії та потужності пристрої з підтримкою Bluetooth у поєднанні з іншими електронними пристроями передають дані в хмару. Так, ви можете побачити їхнє широке застосування в медичних і фітнес-трекерах, пристроях розумного будинку, дані яких передаються на смартфони.
Ідеальним варіантом використання BLE-пристроїв є сфера роздрібної торгівлі. Їх використовують для підвищення якості обслуговування покупців у магазині та прийняття ними рішень про покупку за допомогою цільового контенту, що запускається маячками на їхніх смартфонах (навігація магазином, спеціальні пропозиції, знижки, події тощо, які розсилаються покупцям у межах географічної близькості).
Варіанти використання Bluetooth: фітнес-трекінг, маячки, пристрої домашньої автоматизації.
WiFi
Через обмеження в покритті, масштабованості та високого енергоспоживання ця технологія не дуже підходить для великих мереж IoT-датчиків, що працюють від батарей. WiFi відноситься до додатків, що працюють в локальних або розподілених середовищах з декількома точками доступу, підключеними до розетки. Мережі WiFi можуть застосовуватися для гаджетів розумного будинку, камер безпеки, розумних будинків, медичного та фітнес-трекінгу, у магазинах.
3. LPWAN
Глобальні мережі з низьким енергоспоживанням (LPWAN) - це новий набір бездротових протоколів, які можуть буквально з'єднати всі типи датчиків IoT і полегшити роботу численних застосунків, створених спеціально для підтримки широкомасштабних проєктів IoT. Ці мережі можуть використовуватися пристроями для зв'язку на великих територіях за допомогою невеликих недорогих батарей з низьким енергоспоживанням. Порівняно зі стільниковими мережами, LPWAN є економічно ефективним і довгостроковим рішенням.
Схоже, що LPWAN - одна з найкращих мереж; однак, як і кожна мережа, вона має свої плюси та мінуси. Недолік LPWAN полягає в невеликих обсягах даних, які вона може передавати за один раз, тому вона може добре підійти для випадків використання без високої пропускної здатності.
З огляду на різні цілі, існують ліцензовані (NB-IoT, LTE-M) та неліцензовані (LoRa, Sigfox) типи LPWAN. Основною проблемою ліцензійних LPWAN є енергоспоживання. При впровадженні неліцензійних технологій основними питаннями є якість обслуговування і масштабованість.
Sigfox
За дальністю дії Sigfox знаходиться між Wi-Fi і стільниковим зв'язком. Sigfox не потребує отримання ліцензій завдяки використовуваним частотним діапазонам ISM (Industrial, Scientific, and Medical).
Використовуючи технологію UNB (Ultra Narrow Band), Sigfox прагне до низьких швидкостей передавання даних за вкрай низького споживання енергії, а також здатний підтримувати зв'язок із мільйонами пристроїв, що працюють від батарей, на відстані 30-50 кілометрів.
Сфери застосування Sigfox: розумні будівлі та міста: моніторинг води, моніторинг використання приміщень, моніторинг віддалених датчиків.
LoRaWAN
Розроблена для великомасштабних громадських мереж, зона покриття LoRaWAN досягає 15 км. Завдяки розширеному радіусу дії LoRaWAN є відмінним рішенням для галасливих промислових об'єктів з підтримкою мільйонів пристроїв. Низьке енергоспоживання LoRaWAN добре підходить для IoT-пристроїв з живленням від батарей, підтримуючи їх протягом 10 років.
Приклади використання LoRaWAN: віддалений моніторинг і відстеження стану (температура, вібрація, тиск), розумні міста, розумне освітлення.
4. Протоколи Mesh
Завдяки малій дальності зв'язку протоколи Mesh є чудовим рішенням для IoT-проектів середньої дальності з передачею даних у безпосередній близькості. У мережах Mesh обмін даними між сенсорними вузлами здійснюється розподіленим способом, щоб досягти передавання даних у центральний вузол.
Протоколи Mesh є надійними і популярними рішеннями для внутрішньобудинкового і вуличного використання, наприклад, для автоматизації інтелектуальних будівель (освітлення, робота систем опалення, вентиляції та кондиціонування повітря, безпека, контроль енергоспоживання тощо), вуличного освітлення.
Zigbee
Zigbee - один із найвідоміших комірчастих протоколів, що використовуються в IoT-додатках. Порівняно з LPWAN, Zigbee забезпечує більшу передачу даних за набагато меншої енергоефективності завдяки своїй конфігурації підключення. Завдяки недорогим і малопотужним рішенням Zigbee, додатки можуть працювати від недорогих батарей протягом десяти років.
Взаємопов'язаність мережі Zigbee дає змогу під'єднувати кожен пристрій до сигналу, який передає його іншим пристроям по комірчастій мережі. Ризик збою сигналу в одній точці виключений завдяки здатності пристроїв Zigbee збільшувати шляхи зв'язку, що сприяє сумісності та безшовному з'єднанню з різними виробниками.
Ще одна відмінна риса цього протоколу полягає в можливості його безліцензійного використання по всьому світу.
Сфери застосування Zigbee: автоматичне зчитування показників лічильників, моніторинг резервуарів, інтелектуальне управління опаленням, вентиляцією та кондиціонуванням, управління медичними пристроями та освітленням.
RFID
Протокол RFID (Radio Frequency Identification - радіочастотна ідентифікація) здебільшого використовується в індустрії відстеження датчиків. За допомогою бездротових мікрочіпів, вбудованих в IoT-пристрої, приймачі відправляють і приймають радіохвилі, щоб передавати невеликі обсяги даних у межах невеликих територій без прямої видимості. Діючи як точка доступу, RFID-зчитувачі можуть приймати і відправляти повідомлення на прийомопередавачі.
За допомогою RFID-чіпів ритейлери можуть поліпшити планування закупівель, оптимізувати транспортну логістику і отримати наскрізну видимість даних у всій екосистемі ланцюжка поставок.
Галузі застосування RFID: відстеження автопарків, автоматизовані каси, моніторинг медикаментів, управління ланцюгами поставок, управління складами, електронні паспорти, людські імплантати, контроль доступу до безпеки і платежі.
Як вибрати найбільш підходящу мережу IoT?
Сценарій використання відіграє визначальну роль при виборі відповідної IoT-мережі для вашого IoT-додатку. Отже, давайте розглянемо найважливіші критерії:
- Споживана потужність. Якщо ви шукаєте довговічне рішення, яке не потребує живлення пристрою, то для цього випадку підійдуть мережі Bluetooth і LPWAN. Технології з високим енергоспоживанням, такі як Wi-Fi, не рекомендуються.
- Зона покриття. Розмір території, яку необхідно покрити, визначає тип протоколу, який необхідно застосувати для вашого IoT-проекту. У той час як LoRA обмежений національними кордонами, мережа Sigfox доступна в 60 країнах.
- Обсяг даних. Якщо вам потрібно передавати невеликі обсяги даних, існують такі рішення, як BLE для передачі даних на короткі відстані або LPWAN для передачі даних на великі відстані. Для передачі великих обсягів даних ми рекомендуємо мережі Wi-Fi і GSM.
- Щільність розміщення пристроїв. Вибір відповідного протоколу IoT залежить від необхідності географічної близькості або розосередження. Якщо об'єкти мають бути під'єднані близько один до одного, то гарним варіантом буде WiFi, а в разі великої щільності рекомендуються мережі LPWAN і GSM.
Основні висновки
На ринку представлено безліч варіантів мереж IoT. Ідеальне універсальне рішення для під'єднання має підтримувати низьке енергоспоживання, а також можливість передавання величезних обсягів даних на великі відстані, забезпечуючи високу безпеку і низькі витрати.
Однак не існує універсального рішення, яке буде економічно вигідним для всіх інтелектуальних підприємств. Тому розуміння специфіки вашого сценарію використання та визначення вимог до проекту на кожному етапі розробки допоможе ухвалити рішення щодо вибору найбільш підходящого протоколу мережі IoT для вашого проекту.
Щиро Ваш, Небилович Сергій, директор магазину мережевого обладнання EServer.