wersja mobilna | kontakt z nami

Protokoły i moduły bezprzewodowe dla IoT (2)

Numer: Listopad/2016

Rozwój technologii IoT wymaga wsparcia przez odpowiednie protokoły i oprogramowanie. Można tworzyć własne standardy i sieci sensorów, jednak jest to nieopłacalne, ponieważ - myśląc globalnie - pojawi się problem spięcia naszej sieci z całą "resztą świata". Dlatego idąc w sukurs konstruktorom budującym urządzenia dla IoT firmy - producenci podzespołów wręcz prześcigają się tworząc różnego rodzaju udogodnienia. Do takich, moim zdaniem, należą moduły komunikacyjne sterowane za pomocą typowych komend AT z zaimplementowanymi stosami komunikacyjnymi.

Pobierz PDF

Aktualnie bodaj „najmocniej” obecne w Polsce są rozwiązania sieciowe zgodne ze standardami Sigfox, LoraWAN, ZigBee oraz Bluetooth. O ile dwa ostatnie standardy komunikacyjne są dosyć dobrze znane zwłaszcza z wcześniejszych rozwiązań (ZigBee 2.0, Bleuetooth Classic oraz BLE), o tyle moduły transmisyjne dopasowane do sieci Sigfox i LoRa są nowością na rynku. Przypomnijmy w kilku słowach, na czym polega transmisja danych z zastosowaniem obu tych standardów.

ramka-1Moduły Sigfox

Nazwa standardu Sigfox wywodzi się od nazwy francuskiej firmy – twórcy, pomysłodawcy i operatora sieci. Standard opracowano z myślą o urządzeniach transmitujących niewielkie pakiety danych. Struktura sieci jest zbliżona do sieci telefonii komórkowej. Urządzenia komunikują się z użyciem transmisji UNB (Ultra Narrow Band) w nielicencjonowanym paśmie 868 MHz. Intencją twórców było uzyskanie jak największego zasięgu bez konieczności stosowania urządzeń pośredniczących. Komunikaty przesyłane przez urządzenia Sigfox w idealnych warunkach mogą przebyć drogę do 1000 kilometrów. Każda stacja bazowa może obsłużyć do 1 000 000. Podstawową różnicą pomiędzy Sigfox a rozwiązaniami oferowanymi przez operatorów telekomunikacyjnych jest to, że ta sieć opracowano z myślą o małych pakietach danych, dlatego stacje bazowe Sigfox mogą obsłużyć komunikaty o długości 12 bajtów, nie więcej niż 140 komunikatów dziennie przesyłanych przez pojedyncze urządzenie.

Ekspansja sieci Sigfox rozpoczęła się od Francji. Aktualnie firma ma tam 1200 stacji bazowych obejmujących swoim zasięgiem teren całego kraju. Do nich dołączyło 1300 stacji bazowych w Hiszpanii. Aktualnie sieć obejmuje pokryciem niemal całą Europę Zachodnią, a prace są prowadzone również w Warszawie i w Moskwie (https://www.sigfox.com/en/coverage). Firma rozpoczęła również inwestycje w Stanach Zjednoczonych (w paśmie 900 MHz) i planuje tam budowę w 2016 r. 1600 stacji bazowych.

Inżynierowie z firmy Sigfox dobrze zdają sobie sprawę z faktu, że oferowanie samego standardu transmisji bez wsparcia projektantów jest droga donikąd. Dlatego uruchomiono specjalną stronę internetową Sigfox Developer Portal dostępną pod adresem http://makers.sigfox.com/, na której można znaleźć wiele cennych wskazówek dotyczących samego standardu, jak również ogromny wybór gotowych rozwiązań, platform developerskich i innych narzędzi. Niektóre są dostępne w ramach portalu, inne na linkowanych stronach internetowych np. Sigfox Partner Network https://goo.gl/k3cMs6. Strona jest obowiązkową lektura dla każdego, kto myśli o zaprzęgnięciu Sigfoxa do pracy. 

ramka-2Niestety, standard póki co nie jest zbyt rozpowszechniony w naszym kraju. Moduły transmisyjne Sigfox oferuje np. dobrze znana z firma Telit, która ma licznych dystrybutorów w Polsce. Oferowany przez nią moduł typu LE51-868 S pracuje w nielicencjonowanym paśmie ISM w zakresie 863…870 MHz. Umożliwia komunikację dwukierunkową, to jest w kierunku uplink i downlink z użyciem autorskiego protokołu komunikacyjnego opracowanego przez Telit. Moc nadajnika wynosi 35 mW, a czułość odbiornika –126 dBm przy prędkości transmisji 600 bodów. Dzięki swoim właściwościom moduł świetnie nadaje się do aplikacji związanych z transportem oraz inteligentnymi budynkami.

Architektura sieci, jak wspomniano wcześniej, ma strukturę gwiazdy. Komunikacja ze stacją bazową może odbywać się bezpośrednio lub za pośrednictwem innych modułów, ponieważ są one wyposażone nową funkcję inteligentnego repeatera. Moduł zapewnia ochronę transmisji za pomocą szyfrowania AES128. Może być wybudzany cyklicznie „nasłuchując” transmisji radiowej. Obsługuje funkcjonalność aktualizacji firmware za pomocą łącza radiowego – Download Over The Air (DOTA). 

Moduły do sieci LoRaWAN

Standard LoRaWAN jest specyfikacją energooszczędnej sieci o dużym zasięgu, w której będą pracowały urządzenia zasilanie bateryjnie. Architektura bazuje na topologii gwiazdy, w której bramki są transparentnymi pomostami zapewniającymi transmisję pomiędzy urządzeniami brzegowymi, a serwerem centralnym. Bramki są dołączone do serwera za pomocą standardowych połączeń IP, natomiast urządzenia brzegowe wykorzystują do łączenia się z jedną lub wieloma bramkami technikę rozproszonego widma, ze zróżnicowaną prędkością transmisji. Komunikacja z punktami brzegowymi może być dwukierunkowa, co umożliwia nie tylko odbierania komunikatów, ale również kontrolowanie przesyłających je urządzeń lub aktualizowanie ich oprogramowania. Prędkość transmisji jest zmieniana zależnie od długości komunikatu i mieści się w zakresie 0,3…50 kb/s.

Sieć LoRa jest zabezpieczona przed nieautoryzowanym dostępem przez unikatowy klucz dostępu (EUI64), unikatowy klucz aplikacji (EUI64), specyficzny kod urządzenia (EUI128) identyfikujący jego rodzaj.

LoRa Alliance ze względu na przyjęty model biznesowy ma sporą „siłę przebicia”. Oferowanych jest coraz modułów zgodnych z tym standardem, aczkolwiek prawo do produkcji układów scalonych transceiverów jest ograniczone. Moduły bezprzewodowe LoRaWAN są oferowane przez: LairdTech (moduły z rodziny RM1XX), Microchip (RN2483, RN2903), STMicroelectronics (moduł I-NUCLEO-SX1272D), natomiast układy scalone transceiverów jedynie przez firmę Semtech (SX1272, SX1276, SX1301) – napiszę o tym więcej w dalszej części artykułu. Niektórzy producenci, jak na przykład Texas Instruments, deklarują możliwość obsługi transmisji LoRa, ale póki co mają związane ręce. Pewne „jaskółki” doniosły jednak do redakcji, że w najbliższym czasie jest planowana mocna ofensywa rozwiązań LoRa w Europie, w tym i w Polsce, mająca za zadanie rozpowszechnienie standardu.

ramka-3Porównanie Sigfox i LoRa

Model biznesowy przyjęty przez firmę Sigfox zakłada, że przedsiębiorstwo będzie operatorem sieci i jej serwerów. Z drugiej strony, to jest od strony urządzenia końcowego, firma daje zupełną dowolność producentom urządzeń oraz układów scalonych transceiverów. Do zastosowania w sieci Sigfox nadają się układy scalone oferowane przez wielu producentów, takich jak: STMicroelectronics, Atmel (aktualnie Microchip), Texas Instruments. Przyjęta strategia ma spowodować, że ceny urządzeń współpracujących z siecią będą niewysokie, co przyciągnie użytkowników.

Jak wspomniano, urządzenia końcowe w sieciach Sigfox używają niedrogich, wytwarzanych masowo układów radiowych, co jest korzystne dla producentów modułów, którzy w ten sposób mogą po prostu zarobić na sprzedaży. Sama firma Sigfox zarabia jako operator sieci i serwerów pobierając niewielką opłatę abonamentową od użytkowników sieci, co jednak przemnożone przez liczbę urządzeń ma dać odpowiedni wynik finansowy. Innymi słowy, Sigfox nie zajmuje się sprzętem sieciowym i nie chce na nim zarabiać skupiając się jedynie na swojej roli jako twórcy standardu i operatora sieci. Na skutek przyjęcia takiego modelu działania, każdy użytkownik chcący użyć sieci Sigfox w swojej aplikacji musi pracować bezpośrednio z firmą Sigfox – nie ma innej opcji, aczkolwiek może użyć dowolnego sprzętu. To i dobrze, i źle.

Odmienną strategię ma LoRa Alliance. Oferuje otwartą specyfikację sieciową – każdy może ją pobrać i przystąpić do stowarzyszenia LoRa Alliance. Każdy producent sprzętu może też produkować moduły lub bramki kompatybilne z siecią LoRa. „Kruczek” polega na tym, że jedyną firmą, która produkuje certyfikowane układy radiowe dla sieci LoRaWAN jest Semtech. Co prawda, firma i stowarzyszenie deklarują, że w przyszłości udostępnią licencję innym producentom, ale… A więc pomimo tego, że ekosystem jest otwarty, to jeden z jego elementów jest niedostępny. W praktyce oznacza to, że standard będzie rozwijał się dosyć wolno, ponieważ jedynie preferowani producenci sprzętu (w tym wypadku i póki co – jedynie Semtech) i jedno stowarzyszenie będą pracowały nad jego rozwojem.

Wydaje się, że z punktu widzenia konstruktora sprzętu LoRaWAN jest nieco lepszym wyborem dla urządzeń wymagających rzeczywistej komunikacji dwukierunkowej, ponieważ zapewnia połączenie symetryczne. Dlatego też, jeśli jest potrzebny interfejs kontrolny dla np. monitorowania sieci elektrycznej, to LoRaWAN będzie lepszym wyborem. Z kolei, standard Sigfox nie zapewnia linku symetrycznego, ale umożliwia osiągniecie większej gęstości sieci, dlatego znakomicie nadaje się do zastosowania w aplikacjach, które przesyłają niewielką ilość danych z bardzo dużej liczby sensorów, jak na systemy służące do monitorowania obszaru lub gromadzące dane z inteligentnego budynku.

Jednak nawet najlepsza sieć nie zadziała bez infrastruktury, a z ta w Polsce nadal jest kiepsko. Dlatego też niezależnie od rodzaju aplikacji, od tego czy chcemy użyć technologii IoT do monitorowania przesyłek, zarządzania siecią energetyczną lub sprawdzania, gdzie przebywa nasz pies zawsze upewnijmy się, że na danym obszarze standard, z którego chcemy korzystać jest w ogóle dostępny. Natomiast, jeśli planujemy zbudowanie własnej sieci, to póki co LoRaWAN jest jedyną dostępną opcją.

Na koniec

W artykule nie wspomniałem o planach operatorów sieci telefonii komórkowej, którzy na pewno nie odpuszczą tak smakowitego „kęsa” tym bardziej, że już mają gotową infrastrukturę pokrywającą zasięgiem ogromny obszar. Jednak, jak napisałem w poprzednim artykule, póki co standard LTE bardziej jest przystosowany raczej do obsługi połączenia z Internetem, do przesyłania dużych ilości danych, niż do przesyłania niewielkich, powodujących spory ruch, pakietów danych wymaganych przez aplikacje IoT. Przypomnijmy też, że to dopiero początkowa faza upowszechniania się technologii IoT, więc szansę na zastosowanie i upowszechnienie mają też inne standardy, np. Simplicity oferowany przez Texas Instruments lub MiWi promowany przez Microchipa.

Jacek Bogusz, EP

 

Bibliografia:

[1] https://www.sigfox.com/
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Sigfox
[3] https://www.lora-alliance.org/What-Is-LoRa/Technology
[4] https://www.lora-alliance.org/portals/0/documents/whitepapers/LoRaWAN101.pdf
[5] http://www.microchip.com/design-centers/wireless-connectivity/embedded-wireless/lora-technology
[6] http://www.lairdtech.com/products/rm1xx-lora-modules
[7] http://www.st.com/content/st_com/en/products/wireless-connectivity/lorawan/p-nucleo-lrwan1.html
[8] http://www.semtech.com/wireless-rf/lora.html
[9] http://www.link-labs.com/sigfox-vs-lora/

Pozostałe artykuły

LTC4123 - miniaturowa ładowarka bezprzewodowa

Numer: Marzec/2017

Pomimo rozwoju tej techniki, ładowanie bezprzewodowe raczej z dużą trudnością adaptuje się w sprzęcie powszechnego użytku. Zbyt długie prace nad standardem, obecność kilku konkurencyjnych rozwiązań nie ułatwiają wyboru i ?doposażenia? własnych konstrukcji w funkcje ładowania bezprzewodowego. W artykule przedstawiono rozwiązanie proponowane przez Linear Technology służące do bezprzewodowego ładowania akumulatora NiMH o niewielkiej ...

Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie przemysłowych wyświetlaczy LCD

Numer: Marzec/2016

Od dłuższego czasu obserwujemy bardzo szybki postęp w branży dużych wyświetlaczy ciekłokrystalicznych. Dotyczy on nie tylko telewizorów - nowości technologiczne z rynku konsumenckiego szybko przenoszone są do sektora przemysłowego. Pomimo znacznie ostrzejszych wymagań odnośnie do wytrzymałości urządzeń przemysłowych, wiodącym na rynku firmom udaje się wprowadzać do sprzedaży produkty o zaskakująco dobrych parametrach. Przegląd ...

MAXimator - tani zestaw startowy z Altera FPGA z rodziny MAX10

Numer: Marzec/2016

Nowoczesna elektronika nie istnieje bez układów FPGA, czego jednak nie widać na co dzień, zwłaszcza w "zarduinizowanym" świecie mikrokontrolerów. Jedną z przyczyn słabej percepcji technologii FPGA są relatywnie wysokie ceny zestawów startowych, które zniechęcają wielu początkujących. Mamy przyjemność poinformować, że sytuacja uległa zmianie i to dzięki polskiej firmie KAMAMI, której biuro konstrukcyjne opracowało i rozpoczęło ...

D32PRO - skalowalny procesor 32-bitowy

Numer: Marzec/2016

Jakiś czas temu informowaliśmy o polskim procesorze z rdzeniem 32-bitowym D32PRO, a teraz dzięki uprzejmości firmy Digital Core Design z Bytomia, możemy podać więcej szczegółów związanych z jego architekturą i listą rozkazów. Firma DCD zajmuje się projektowaniem IP Core od 1999 roku, zatem można powiedzieć, że jej najnowsze dzieło - procesor D32PRO - jest sumą doświadczeń zbieranych przez inżynierów firmy na przestrzeni ...

Renesas Synergy, czyli jak rozwijać produkty w świecie IoT

Numer: Marzec/2016

Przemysł elektroniczny wygląda obecnie zupełnie inaczej niż jeszcze 5 lat temu. Trudno precyzyjnie wskazać moment, w którym zaszła ta zmiana, ale można śmiało powiedzieć, że elektronika stała się bardzo powszechna i modna. Nie oznacza to niestety, że lutowanie i projektowanie obwodów stało się popularne, lecz że zaczęła podlegać prawom panującym w modzie. Produkt wprowadzony w ubiegłym sezonie szybko staje się passé, ...

Mobilna
Elektronika
Praktyczna

Elektronika Praktyczna

Marzec 2017

PrenumerataePrenumerataKup w kiosku wysyłkowym

Elektronika Praktyczna Plus

lipiec - grudzień 2012

Kup w kiosku wysyłkowym