Rozwój IoT - czyli cena, zasilanie i komunikacja

Technologie, które znajdują się we wstępnej fazie wdrożenia, mimo udanych komercyjnych implementacji, mają zwykle nadal wiele technicznych i biznesowych problemów do rozwiązania. Dlatego zanim IoT dokona rewolucji technologicznej, branża musi zmierzyć się z głównymi barierami rozwoju.

Te komercyjne to wysokie koszty, bezpieczeństwo danych oraz brak standardów. Do głównych technicznych należą zużycie energii, protokoły komunikacyjne i wydajność infrastruktury niezbędnej do obsługi gigantycznych ilości danych, jak moc obliczeniowa i przepustowości sieci.

Jednym z największych wyzwań, jakie stoją przed dostawcami urządzeń dla obszaru IoT, jest zapewnienie niskiej ceny wdrożenia i kosztów użytkowania. Świadomość dotycząca zalet IoT jest coraz powszechniejsza, ale sukces komercyjnych realizacji wymaga, aby użytkownik jak najszybciej osiągnął zwrot z inwestycji.

Dlatego też koszt dodania łączności do produktu musi być praktycznie nieodczuwalny przez klienta końcowego. Jest to szczególnie trudne w przypadku elementów o niskiej cenie jednostkowej, jak w aplikacjach rozległych sieci czujników, gdzie nawet najmniejszy wzrost ceny może być czynnikiem blokującym dla klienta końcowego.

W większości przypadków aplikacje IoT przesyłają do kilkudziesięciu bajtów informacji w określonych odstępach czasu. Są to często czujniki, które zbierają dane, być może nawet dokonują ich wstępnej selekcji i przesyłają je do jednostek centralnych lub chmury. Aby móc realizować te zadania, projektant urządzenia musi dokonać szeregu wyborów, takich jak dobór optymalnego zasilania, sposobu łączności oraz stopnia inteligencji urządzenia, co decyduje, jak zaawansowana ma być wstępna selekcja danych.

Wydajne zasilanie

Wybór źródła zasilania jest jedną z kluczowych decyzji podejmowanych podczas projektowania aplikacji IoT. Możliwość podłączenia do sieci wielu urządzeń rozlokowanych na dużej przestrzeni, w tzw. trudnych lokalizacjach, stanowi o atrakcyjności IoT. Według prognoz, połowa z 30 mld urządzeń podłączonych do Internetu w 2020 r. będzie mobilna.

Często więc zasilanie z sieci elektrycznej nie jest możliwe i jedynym rozwiązaniem pozostanie użycie chemicznych źródeł energii. W większości przypadków transmisja danych z urządzenia odbywa się przynajmniej kilka razy na dobę lub częściej, a wymagania co do czasu pracy na jednej baterii wyrażone są w miesiącach lub latach. Typ baterii powinien być dostosowany do urządzenia pod kątem pełnionej funkcji, liczby elementów w sieci, ich lokalizacji i innych czynników, które w przyszłości będą miały przełożenie na funkcjonowanie, niezawodność i koszty konserwacji.

W wielu przypadkach najrozsądniejszym wyborem od strony technicznej oraz kosztowej są tradycyjne baterie, a więc ogniwa alkaiczne, litowe lub litowo-jonowe, a w niektórych przypadkach akumulatory kwasowo-ołowiowe. Z uwagi na zadowalający stosunek pojemności do rozmiarów, w mniejszych aplikacjach często używany typ to baterie guzikowe CR2032.

Poza pojemnością ogniw projektant musi wziąć pod uwagę również okres przydatności baterii, który dla wielu typów ogniw wynosi do ośmiu lat. Wpływ na to ma efekt samorozładowania baterii, czyli utraty pojemności w czasie. Skala tego zjawiska różni się dla poszczególnych technologii chemicznych, np. dla baterii alkaicznych spadek pojemności wynosi ok. 2-3% rocznie, a dla litowo-jonowych 1-2% miesięcznie.

Dodatkowo, jeśli urządzenie pracuje w wysokiej temperaturze, proces ten zachodzi szybciej. Szczegółowe obliczenia czasu pracy na jednej baterii muszą uwzględnić także charakter pracy urządzenia, czyli takie czynniki jak częstotliwość realizowania pomiarów i przesyłania danych, pobór mocy poszczególnych komponentów oraz wpływ wszelkich trudnych do przewidzenia wydarzeń, które potencjalnie mogą zwiększyć konsumpcję energii.

Stosowanie baterii ma również negatywne strony. Po pierwsze, wymaga spełnienia wymogów bezpieczeństwa. Nieodpowiednie warunki środowiska pracy, przede wszystkim zbyt wysoka temperatura, może doprowadzić do wybuchu. Po drugie, jest to rozwiązanie mało ekologiczne, bo zużyte ogniwa wymagają utylizacji.

Efektywna łączność

Rys. 1. Sprzedaż półprzewodników do zastosowań w IoT. Źródło: IC Insights

Długi czas działania urządzenia na jednej baterii to też optymalne wykorzystanie dostępnej energii. Skoro innowacje w zakresie ogniw postępują powoli, projektanci systemów IoT muszą stosować szereg technik dla zwiększenia wydajności energetycznej urządzeń pracujących w sieci. Biorąc pod uwagę, że komunikacja radiowa mocno obciąża baterię, wiele urządzeń stosuje wstępne grupowanie i przetwarzanie danych przed wysłaniem ich do chmury.

Zmniejszenie objętości przesyłanych komunikatów pozwala ograniczyć czas nadawania. Z kolei dobór protokołu komunikacyjnego stanowi kompromis pomiędzy wydajnością energetyczną a parametrami działania sieci, przede wszystkim szybkością transmisji i zasięgiem. Nie ma rozwiązania idealnego, a wybór musi być poprzedzony szczegółową analizą warunków działania.

Sieci komórkowe do niedawna uważane były za naturalny wybór dla IoT, zapewniając duży zasięg i wysoką szybkości transmisji. Wadą jest tutaj głównie cena, a w przypadku wielu aplikacji oferowana przepustowość jest wręcz za wysoka. Komunikacja przez Bluetooth lub WLAN zapewnia niski pobór mocy, jednak kosztem zasięgu.

Specyfika pracy urządzeń podpiętych do sieci IoT sprawiła, że w ostatnich latach na popularności zyskują nowe rozwiązania. Przykładem są sieci typu LPWAN (Low Power Wide Area Networks), w których stosunkowo niski pobór mocy i zasięg nawet do kilkunastu kilometrów w terenie otwartym uzyskano kosztem zmniejszenia szybkości transmisji danych (standardy wąskopasmowe). Dodatkowo, odznaczają się one dobrą odpornością na zakłócenia i zanik sygnału. Wśród technologii należących do tej grupy najczęściej wymieniane są LoRaWAN i Sigfox.

Warstwa sprzętowa

Pełne wykorzystanie potencjału IoT nie będzie możliwe bez specjalizowanej elektroniki. Dla branży rynek IoT jest obiecującą alternatywą wobec stagnacji na rynku komputerowym i zatłoczonego sektora smartfonów. Jak przewiduje raport IC Insights, w okresie od 2015 do 2020 średni wzrost wartości rynku półprzewodników do IoT wyniesie 14,9%, osiągając 31 mld. dol. w 2020.

W najbliższych latach obroty napędzać będą przede wszystkim układy komunikacyjne, natomiast szybki wzrost cechować będzie sprzedaż procesorów. W ujęciu ilościowym na pierwszym miejscu znajdą się czujniki, jednak są to tańsze komponenty, które będą generować niższe obroty niż dwie wcześniej wymienione kategorie.

Korzystny trend dla dostawców elektroniki to ewolucja sposobu przepływu danych w sieciach IoT. Pierwotnie zakładano, że wszystkie dane z urządzenia będą przesyłane do chmury i dopiero tam nastąpi ich przetworzenie. Niemniej wraz ze wzrostem liczby elementów w sieci jest to mało wydajne. Tym samym coraz bardziej pożądane jest, żeby wstępna obróbka danych następowała jeszcze w urządzeniu. Oznacza to, że muszą one być wyposażone w procesor, pamięć i inne układy odpowiednie do realizowanej funkcji.

Firmy z mocną pozycją na rynku mobilnym, jak Qualcomm, Texas Instruments czy NXP Semiconductors, starają się wykorzystać to doświadczenie w sektorze IoT. Tak jak w przypadku urządzeń konsumenckich, elektronika w urządzeniach IoT musi zapewnić wymaganą funkcjonalności przy niskim poborze energii. Strategia wejścia w sektor IoT w przypadku wielu firm początkowo zakładała oferowanie tych samych lub nieznacznie dostosowanych produktów co na rynek mobilny.

Rozwój sektora zmusił je do korekty tych założeń. Pod wieloma względami IoT jest bardziej wymagający, szczególnie biorąc pod uwagę coraz wyższy stopień skomplikowania tych sieci. Zastosowania w motoryzacji lub przemyśle wymagają, aby układy spełniały normy branżowe, co przekłada się na bardziej kosztowne i dłuższe wdrożenie na rynek.

Bardziej wyśrubowane wymagania co do oszczędności baterii wymuszają zastosowanie zaawansowanych metod zarządzania energią, dodatkowo komplikując proces projektowania układu. Spełniając te wymogi, należy cały czas pamiętać, że cena układu musi być do zaakceptowania przez klientów.

Przykładem silnej ekspansji na rynek IoT mogą być działania Qualcomma. Pierwsze kroki w tym kierunku firma zrobiła kilka lat temu, dostosowując ofertę układów mobilnych Snapdragon do specyfiki IoT. Obecnie ma już do IoT układy SoC specjalnego przeznaczenia wspomagające proces przetwarzania obrazu.

Wspiera je Vision Intelligence Platform będący zestawem narzędzi dla programistów obejmującym m.in. funkcje związane z analizą i procesowaniem obrazu, uczeniem maszynowym i widzeniem komputerowym. Dzięki temu część zadań związanych z analizą obrazu z kamery może być przeprowadzona w urządzeniu, a do chmury wysłana tylko użyteczna informacja.

Jest to atrakcyjna opcja dla aplikacji, gdzie czas reakcji jest kluczowy, jak systemy bezpieczeństwa czy autonomiczne auta. Wydajność zapewnia ośmiordzeniowy procesor ARM i DSP do przetwarzania sygnałów z sensorów i audio, natomiast komunikacja może odbywać się przy użyciu Wi-Fi lub Bluetooth.

Układy są wykonane w technologii 10 nm, co pozwala utrzymać zużycie energii na poziomie akceptowalnym przez mobilne urządzenia. Qualcomm rozpoczął też współpracę z Microsoft em w celu rozwijania narzędzi deweloperskich dla sztucznej inteligencji w aplikacjach rozpoznawania obrazu opartych na Vision Intelligence Platform oraz usługę chmury Azure IoT Edge Microsoftu.

W zakresie komunikacji producenci stawiają na uniwersalność. Przykładem może być Cypress i jego moduł CYW43012, który łączy w sobie obsługę standardów Wi-Fi i Bluetooth przy bardzo niskim poborze mocy. Układ cechuje znacząco mniejsze zużycie mocy w porównaniu z konkurencyjnymi produktami. W trybie odbioru i transmisji oszczędność energii wynosi odpowiednio 70% i 25%, natomiast w stanie uśpienia aż 80%.

Jacek Dębowski