Komunikacja w przemyśle jest dzisiaj narzędziem do zapewnienia wysokiej jakości w produkcji i usługach

Produkty są podobne funkcjonalnie i wizualnie i często różnią się jedynie drobnymi niuansami technicznymi, co utrudnia analizę ich właściwości oraz komplikuje proces doboru najlepszej opcji do danej aplikacji. Atrakcyjność rynku komunikacji, zwłaszcza tej bezprzewodowej, ściąga na rynek wielu producentów, przez co nierzadko obok siebie funkcjonują produkty o równoważnych typach funkcjonalności, tylko sprzedawane przez inne firmy dystrybucyjne. Problemy z selekcją produktów pogłębia powierzchowna wiedza wielu dostawców i klientów, którzy często zamiast wyjaśniać, pogłębiają bałagan. W takiej rzeczywistości staramy się pomóc zyskać lepsze rozeznanie.

Ogólną kategoryzację rynku najłatwiej zacząć od produktów elementarnych, czyli chipów komunikacyjnych. Ich zadaniem jest zwykle budowa warstwy fizycznej łącza, a więc modemu i analogowej części radiowej, odpowiedzialnych za modulację i emisję, bardziej skomplikowane wersje mają też część cyfrową odpowiedzialną za pakietowanie danych, realizację protokołu lub obsługę danego standardu.

Same chipy komunikacyjne są zwykle mało użyteczne, gdyż wymagają najczęściej dodania mikrokontrolera zarządzającego ich pracą, stworzenia oprogramowania integracji wewnątrz urządzenia oraz, co jest także bardzo istotne - przeprowadzenia badań całości pod kątem spełniania wymogów prawnych. Z uwagi na powyższe chipy komunikacyjne to propozycja dla producentów działających w dużej skali i dysponujących zapleczem badawczo-rozwojowym.

Na bazie chipów liczni producenci wytwarzają moduły komunikacyjne, a więc komponenty stanowiące funkcjonalną i przetestowaną całość. Zawierają one kompletną platformę sprzętową, nierzadko też część cyfrową zarządzającą transmisją danych tak, aby dla aplikacji transmisja była prosta. Moduły są badane na zgodność z EMC, a jeśli działają w jakimś standardzie własnościowym (np. Bluetooth LE), to jego producent bierze na siebie też kwestie opłat licencyjnych.

Tabela 1. Przegląd ofert krajowych dostawców modułów do komunikacji przewodowej i bezprzewodowej

Skomplikowanie modułów i ich funkcjonalność jest nierzadko diametralnie różna: najprostsze są zdolne przesłać jedynie sygnał cyfrowy przez medium komunikacyjne, najbardziej złożone biorą na siebie całe zadanie wysłania pakietu danych lub nawet udostępniają zasoby składające się z własnego procesora, pamięci i portów, dzięki czemu można z nich zrobić całe urządzenie, pisząc prosty program w języku wysokiego poziomu i podłączając zasilanie.

Moduły wizualnie niewiele różnią się od chipów, są może minimalnie większe, ale miniaturyzacja posunęła się tak bardzo, że nawet złożone konstrukcje przypominają duże układy scalone (obudowa LGA). Stąd pewnie biorą się też pomyłki, co jest chipem, a co modułem.

Na bazie modułów i chipów tworzone są gotowe urządzenia komunikacyjne, a więc takie, które mają obudowę, zasilanie, gniazda, a w środku kompletną platformę pozwalającą dołączyć za jego pomocą urządzenie do sieci, spiąć razem dwa urządzenia, bez konieczności budowy hardware'u i pisania software'u.

Gotowe urządzenia mają też kontrolki i przełączniki oraz wyjście na antenę zewnętrzną, a także bardzo rozbudowaną funkcjonalność w zakresie oprogramowania wewnętrznego, np. wbudowany webserwer, system operacyjny, wyświetlacz LCD i nierzadko obsługują kilka standardów radiowych i pasm częstotliwości.

Jakie są czynniki sprzyjające rozwojowi rynku w Polsce?

Rys. 1. Ocena potencjału rynkowego poszczególnych nowości produktowych w zakresie komunikacji bezprzewodowej

Z pewnością nietrudno wymienić kilka czynników sprzyjających rozwojowi rynku komunikacji, ale najlepiej skupić się na tych najważniejszych, których siła oddziaływania wydaje się największa lub też na tych, które w największym stopniu zmieniły relacje na rynku sprzed lat. Do takich trendów zaliczyć można Internet Rzeczy (IoT) oraz jego odmiany przemysłowe IIoT oraz Factory 4.0, a także smart city i AMR.

Pojęcia te szybko zmieniają współczesny świat techniki i sposób, w jaki rozwiązywane są problemy z dostępem do informacji rozproszonej (przetwarzanie w chmurze i aplikacje Big Data). Jeśli prognozy rynkowe opisujące rozwój rynku takich produktów i związanych z nimi usług sprawdzą się nawet tylko częściowo, w kolejnej dekadzie rzeczywistość przemysłowa i konsumencka zmieni się nie do poznania.

Komunikacja bezprzewodowa zawsze była elementem swobody działania, za który wiele osób było skłonnych płacić więcej. Dzisiaj elementy infrastruktury na tyle potaniały (usługi, sprzęt), że w wielu przypadkach komunikacja przewodowa jest droższa pod względem inwestycyjnym.

W niebyt odeszło również przekonanie co do zawodności medium bezprzewodowego. Przez lata kabel był postrzegany jako coś znacznie pewniejszego do wymiany danych w przemyśle. Automatycy bardzo nieufnie podchodzili nawet do Wi-Fi w halach produkcyjnych, a wszystkie nowinki musiały długo czekać na zainteresowanie lub przynajmniej przejść przez żmudny proces walidacji i dostosowania do wymogów rynku profesjonalnego.

Ten niepokój to też już przeszłość i dzisiaj komunikacja bezprzewodowa jest normalną częścią przemysłu, wojska, medycyny. Co więcej, nie tylko nie jest elementem pogarszającym jakość, ale przeciwnie - za pomocą systemów komunikacji bezprzewodowej tworzone są alternatywne kanały komunikacji na wypadek awarii.

Technologie komunikacji są dzisiaj narzędziem do zapewnienia wysokiej jakości w produkcji, w usługach, logistyce i wielu innych dziedzinach. Wiele z nich pozwala jednocześnie obniżyć koszty, a nakłady inwestycyjne i modernizacyjne szybko się zwracają. Rynek zaczyna więc przypominać kulę śnieżną na zboczu góry.

Rynek M2M osiągnął już na tyle duży potencjał, że wspierają go operatorzy sieci komórkowych poprzez system taryf dopasowanych do potrzeb telemetrii, obsługę chipowych kart SIM i oprogramowanie pozwalające zarządzać dużą liczbą kart. Takie wsparcie jest ważne, bo sprzyja powstawaniu większych projektów.

Na koniec warto zauważyć, że czynnikiem sprzyjającym rozwojowi rynku są nowe technologie komunikacji o właściwościach ściśle dopasowanych do wymogów aplikacyjnych. Coraz częściej okazuje się, że popularne i szeroko dostępne technologie jak GSM słabo pasują do wymagań świata IoT (za duża wydajność), a w innych aplikacjach unika się standardów wymagających płacenia licencji lub opłaty za dzierżawę częstotliwości.

Z jednej strony coraz większa liczba rozwiązań komunikacyjnych przeszkadza w budowaniu świadomości rynku, ogranicza wiedzę użytkowników oraz skazuje wiele inicjatyw na porażkę, z drugiej strony trudno wyobrazić sobie rozwój w oparciu o jedno medium komunikacyjne.

Jakie negatywne zjawiska psują biznes w tym obszarze?

Rys. 2. Zestawienie rocznych wzrostów obrotów dla dostawców modułów komunikacyjnych latach 2012-2015

Podobnie jak w wielu innych sektorach rynku elektroniki, relacje na rynku komunikacji psuje azjatycka tandeta - chodzi głównie o przypadkowej jakości moduły GSM, pochodzące od nieznanych producentów oraz podróbki rozwiązań markowych. Szczególnie groźny jest wpływ podróbek, bo ich złe działanie lub chociażby brak stabilności psuje opinię całemu rynkowi komunikacji bezprzewodowej.

Kierowane są one do klientów poszukujących najtańszych rozwiązań, do projektów realizowanych w przetargach, gdzie cena jest najważniejszym kryterium. Podobnym problemem są moduły bez certyfikatów oraz wniesionych opłat licencyjnych za korzystanie z chronionych rozwiązań intelektualnych.

Urządzenia te są niebezpieczne dla biznesu, bo tutaj problemy mogą się ujawnić znacznie później, gdy produkt będzie już u użytkownika końcowego i np. okaże się, że źle pracuje w sieci, generuje zaburzenia zakłócające pracę innych węzłów lub nie jest zgodny w pełni z deklarowanym standardem, bo nikt go nie badał, a "certyfikacja" polegała na przygotowaniu nalepki. Problemy takie wcale nie są wyimaginowane, bo wiele sieci M2M ma charakter publiczny i działa w oparciu o wspólne platformy informatyczne i telekomunikacyjne. Takie ułomne urządzenia tworzą dziury i stają się zagrożeniem bezpieczeństwa i integralności danych.

Jak wspomniano wcześniej, z roku na rok na rynku jest coraz więcej produktów komunikacyjnych. To samo można powiedzieć o dostawcach tych produktów, co ma oczywiście duży wpływ na to, że konkurencja w tym sektorze jest silna. Niemniej wielki asortyment urządzeń i modułów w warunkach i specyfice naszego kraju to w sumie zaleta, bo odsuwa w przyszłość problemy z własnymi konstrukcjami.

Im więcej producentów elektroniki będzie samodzielnie wbudowywać funkcje komunikacyjne w urządzenia za pomocą chipów, tym bardziej popyt na moduły i gotowe urządzenia będzie hamowany. A skoro można kupić niedrogo gotowe rozwiązania, to po co ponosić ryzyko wdrażania własnej konstrukcji?

Sytuacja przypomina trochę rynek zasilaczy impulsowych, na którym szeroka oferta produktów katalogowych zepchnęła własne konstrukcje w nisze.Wydaje się, że producenci elektroniki są świadomi kosztów i ryzyka i kupują chętnie moduły komunikacyjne, ale walczą ze wzrostem kosztów w porównaniu do rozwiązania bazującego na chipach, np. przez bezpośrednie zakupy u producentów i omijanie dystrybutorów.

Każdy chce mieć swój standard

Rys. 3. Struktura obrotów dla firm zajmujących się sprzedażą modułów komunikacyjnych. Dla 41% firm z tego zestawienia zawierają się one między 100 a 500 tys. zł rocznie

Ankietowani specjaliści zwracali w ankietach uwagę, że co chwilę pojawiają się nowe standardy komunikacji, zwłaszcza bezprzewodowej, niemniej widać, że wiele z tych nowych propozycji nie ma wielkich szans na sukces biznesowy. Przyczyna leży najczęściej po stronie skali przedsięwzięcia i potencjału finansowego pomysłodawcy, który jest za mały do tego, aby stworzyć masę krytyczną dla rozwoju technologii.

Wystarczy przypomnieć tutaj WiMAX lub UWB. Takie pomysły na protokoły, modulacje i podobne rozwiązania są też na wyrost nazywane standardami. Faktycznie są to własnościowe rozwiązania konkretnej firmy, rzadziej stowarzyszenia, które liczy po wypromowaniu na kasowanie opłat za licencje. W praktyce, aby dany pomysłprojekt się przebił i został standardem, musi wnieść dużą zmianę i wartość dodaną dla użytkowników. Inaczej szanse ma małe, a świadomi użytkownicy skierują się ku otwartym protokołom alternatywnym.

Ponieważ nie da się ocenić nic z góry ani od razu stwierdzić, czy dane rozwiązanie zyska szerokie uznanie rynku i faktycznie miano standardu (oczywiście nie firmowego, ale uznanego przez IEEE, ITU, 3GPP lub ETSI), w praktyce dominuje ostrożność i rezerwa w decyzjach.

Przykładem opisanych procesów mogą być sieci Sigfox i LoRa zaliczane do kategorii LPWAN dla potrzeb aplikacji IoT. Pierwszą firmuje francuska firma Sigfox założona w 2009 roku, do której należą prawa intelektualne, druga została opracowana przez firmę Semtech, obecnie rozwój technologii koordynowany jest przez organizację nonprofit LoRa Alliance skupiającą ponad setkę firm członkowskich.

LoRa promowany jest jako "standard otwarty", niemniej specjaliści dodają do tego określenia słowo "prawie". Są to rozwiązania o zbliżonej funkcjonalności, które zapewniają duży zasięg kosztem niewielkiej prędkości transmisji i są reklamowane jako alternatywa dla sieci komórkowych (patrz artykuły na stronach 86, 88).

Aktualnie ich przyszłość wydaje się mieć niezłe perspektywy, ale już się słyszy, że w sieciach komórkowych też powstanie protokół o charakterze LPWAN - ma on się nazywać LTE-M, a drugi to Narrowband Cellular IoT powstający jako tzw. 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Release 13. Jest jeszcze 6LoWPAN oraz Th read - koncepcja Google, Samsung, ARM, Freescale i Silicon Labs.

Obecnie konstruktor ma do wyboru nie tylko kilka generacji Wi-Fi (równolegle używanych), kilka generacji sieci komórkowych różniących się nie tylko przepustowością, ale i poborem mocy oraz kilka generacji Bluetootha, z których nie wszystkie są ze sobą kompatybilne. Do dyspozycji są też własnościowe protokoły, takie jak MiWi, wspomniana LoRa i Sigfox, JenNet, kilka przemysłowych (np. Wireless M-Bus), a na horyzoncie jest już ZigBee 3.0. Jeśli ktoś myślał, że sytuacja w protokołach się z czasem wyklaruje, to raczej nie ma na to szans.