Urządzenia i moduły do komunikacji bezprzewodowej

Jeszcze kilka lat temu dużą wartością aplikacyjną było to, że istniała możliwość radiowej wymiany danych, dzisiaj projektanci traktują ją jako oczywistość i wartość dawno zdobytą. Obecnie więcej uwagi kierowane jest na jakość komunikacji, czyli pewność tego, że kanał komunikacji zapewni deklarowaną przepustowość, że nie będzie opóźnień, zacięć, rozłączeń, konieczności resetowania ustawień protokołu i podobnych problemów. Najlepsze rozwiązanie modułu i urządzenia do komunikacji bezprzewodowej jest takie, że działa od momentu załączenia zasilania, a całą obsługę techniczną, w tym modyfikację ustawień, aktualizację oprogramowania, podglądanie stanu z raportowaniem, realizuje się zdalnie (drogą radiową).

Rynek telefonii komórkowej jest w trakcie wielkiej zmiany, jaką niesie ze sobą sieć piątej generacji. Operatorzy komórkowi zapewniają już klientom takie możliwości, ale na razie usługi są niejako pilotażowe, bo są realizowane w oparciu o posiadane już przez operatorów częstotliwości, jak 2,1 GHz dla Play i T-Mobile oraz 2,6 GHz dla Polkomtela. Aby możliwa była pełna ocena zalet sieci 5G, operatorzy muszą dostać dostęp do pasm 3,4‒3,8 GHz, 26 GHz (na pikokomórki) i 700 MHz (na usługi o dużym zasięgu). Aukcje tych częstotliwości miały już dawno się zakończyć, ale z uwagi na politykę, jeszcze trwają.

Najważniejsze dla klientów cechy ofert brane pod uwagę przy kupowaniu modułów do komunikacji bezprzewodowej

 

Cena jest najważniejszym kryterium selekcji produktu w obszarze komunikacji bezprzewodowej, bo musi być konkurencyjna w stosunku do rozwiązań przewodowych, na tyle niska, aby klient chciał zapłacić za taką funkcjonalność i wybrał proponowane rozwiązanie, a nie inne. Zapewne z uwagi na ważność niskiej ceny na rynku przez długie lata funkcjonują starsze technologie komunikacji i nadal są wybierane przez klientów. Na kolejnych dwóch miejscach uplasowały się jakość i niezawodność oraz parametry techniczne, czyli te czynniki, które decydują o przewadze technologicznej. Dalej mamy wsparcie techniczne, czyli pomoc techniczną ze strony dostawcy, która jest istotna przede wszystkim w produktach nowych i złożonych oraz termin dostawy, z czym aktualnie jest problem.

Razem ze zbliżającą się rewolucją w telekomunikacji następuje też przebudowa infrastruktury komunikacyjnej przez operatorów, którzy stopniowo zamykają BTS-y 2G. Na rynku jest coraz mniej telefonów komórkowych starszej generacji, a utrzymanie infrastruktury kosztuje. W obszarze konsumenckim migracja do sieci 4G jest niejako wymuszona przez kolejne umowy, nowe smartfony, dla modułów tempo migracji jest mniejsze, bo często urządzenia takie pracują długie lata. Niemniej powoli nie oznacza wcale i zmiany technologii z 2G do LTE Cat. 1 lub CAT-M względnie NB-IoT są widoczne.

Na rynku są już też dostępne rozwiązania modułów komunikacyjnych dla sieci 5G i w większości ich możliwości determinowane są przez oprogramowanie firmware. Zatem jeśli nawet obecnie nie obsługują one jakiejś funkcjonalności, z pewnością z czasem będzie można ją dodać z kolejną aktualizacją.

Ważne i poszukiwane wersje modułów do komunikacji bezprzewodowej

 

Lista ważnych i poszukiwanych wersji modułów do komunikacji bezprzewodowej obejmuje wszystkie główne standardy, jak Wi-Fi, Bluetooth, wersje do sieci komórkowych w standardzie 4G (LTE). Bardzo wysoką notę można przypisać także rozwiązaniom dla sieci LPWAN, które nareszcie się spopularyzowały i wypracowały własne miejsce na rynku. Z wykresu widać ponadto, że moduły do sieci komórkowych działające w starszych technologiach (2G i 3G) wcale nie tworzą marginesu.

Jak prosto skorzystać ze skomplikowanej technologii

Rosnący stopień skomplikowania i zależności technologii oraz wspomniana szybka ewolucja niestety nie sprzyjają dobrej orientacji klientów i utrudniają optymalne wybory. Klienci bardzo często nie mają świadomości technicznej i ograniczeń związanych z modułami, słabo orientują się w dostępnych nowościach i stąd wymagają wsparcia ze strony sprzedawcy. Wielu traktuje komunikację radiową tak, jak gdyby to odpowiednik kabla, inni zatrzymali się z wiedzą i przykładają stare schematy do nowych wersji. Przy takim podejściu łatwo o rozczarowanie.

Ponieważ moduł komunikacyjny, nawet najlepiej wybrany, nie tworzy aplikacji ani usługi, którą można sprzedać, nierzadko wsparcie dostawców dotyczy też sfery oprogramowania. Ubocznym efektem jest to, że początkowe etapy zarówno sprzedaży, jak i części projektowych wydłużają się zatem i muszą być prowadzone ze szczególną starannością, aby zapewnić klientowi satysfakcję z usługi.

Istotne nowości/trendy w obszarze komunikacji bezprzewodowej

 

Zestawienie najbardziej istotnych trendów, produktów i technologii w zakresie komunikacji bezprzewodowej otwiera miniaturyzacja i niski pobór mocy, który jest wspólnym mianownikiem wielu nowych rozwiązań kierowanych do świata IoT, AMR i urządzeń mobilnych. Podobne wskazanie uzyskały nowe moduły do sieci 5G oraz takie, które pozwolą dodać obsługę 5G z czasem przez wymianę oprogramowania. Kolejne trzy pozycje o mniej więcej tym samym udziale procentowym to nowe wersje Bluetooth, moduły LTE niskich kategorii i produkty combo (dwa w jednym).

O aplikacji z komunikacją bezprzewodową trzeba dzisiaj w czasie projektowania analizując zagadnienie w sposób kompleksowy, tj. rozpatrując je jako całą sieć powiązanych i zależnych od siebie działań. Gdzieś w takim projekcie jest oczywiście moduł komunikacyjny, ale jest on tylko niewielką częścią całości, zarówno ekonomicznie, jak i technicznie.

Bogata funkcjonalność oprogramowania, usług związanych z akwizycją danych, komunikacją, sprawia, że czołowi producenci rozwiązań komunikacyjnych mogą się w ten sposób wybić ponad przeciętną. Inni, jak duże firmy znane ze świata IT, także poszerzają możliwości swoich rozwiązań o obsługę takich platform. Czasem oznacza to dla nich otwarcie biznesu na nową działalność, ale IoT niczym magnes przyciąga wielu graczy.

Główne trendy techniczne

 

Najważniejsze cechy techniczne modułów do komunikacji bezprzewodowej można podsumować stwierdzeniem, że klienci oczekują obecnie od takich produktów wygody aplikacyjnej, łatwości implementacji oraz prostoty obsługi posprzedażnej. Skoro wiele takich rozwiązań trafia do sprzętu instalowanego w terenie, możliwość zdalnego zarządzania i obsługi technicznej trafia na pierwszy plan. Trend małego poboru mocy, dostęp do zaszytej w chipie karty SIM też wpisują się w takie oczekiwania.

Patrząc z perspektywy, można powiedzieć, że zmiany idą w takim kierunku, aby najważniejszym problemem do rozwiązania był pomysł na rozwiązanie problemu lub zyskania korzyści wynikającej z technologii, a nie budowa układu elektronicznego lub pisanie kodu. To zadanie ma się sprowadzać do wyboru rozwiązania spośród wielu dostępnych, niekoniecznie tworzenia własnego, a także kupna usługi (konta) w powiązanej z taką platformą chmurze obliczeniowej zamiast tworzenia i konfigurowania własnej.

Sieci LPWAN

Sieci LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) to rozwiązania działające w pasmach ISM, gdzie przy małej przepustowości zapewniony został znacznie większy w porównaniu do innych standardów zasięg komunikacji. W warunkach krajowych oznacza to sieci LoRaWAN oraz LTE Cat. M /NB-IoT (Narrow-Band IoT), które służą głównie do zbierania danych z rozległych aplikacji telemetrycznych. Typowe aplikacje, jak liczniki wody, gazu czy ciepła, systemy alarmowe, czujniki zadymienia, śledzenie ludzi i zwierząt, produkty AGD, kontrola dostępu do budynku, sterowanie oświetleniem, różnego rodzaju czujniki, np. stacje meteorologiczne itp., nie potrzebują większych wydajności, stąd LTE niskiej kategorii może być dobrym pomysłem.

NB-IoT oraz LTE kategorii M to rozwiązania wykorzystujące infrastrukturę sieci komórkowych przeznaczone do aplikacji transmitujących niewiele danych (głównie klasy IoT), niewymagających dużej szybkości, za to efektywnych energetycznie. Działają one w małym paśmie, mają ograniczoną konieczność zgłaszania obecności w sieci i pobierają wielokrotnie mniej energii od zwykłych modułów LTE. Moduły NB-IoT w zamyśle producentów nie mają konkurować z rozwiązaniami 2G/3G/4G, ponieważ nie nadają się do aplikacji z regularnym, dużym/średnim transferem danych. Otwierają jednak nowe możliwości wykorzystania infrastruktury sieci 4G w aplikacjach zasilanych z baterii przy niskiej cenie i dobrym zasięgu wewnątrz budynków. Uwalniają też od ryzyka związanego z perspektywą pogorszenia się zasięgu sieci 2G, a przecież wiele urządzeń ma takie moduły cały czas działające, bo są one bardzo tanie.

Moduły do sieci komórkowych

Moduły przeznaczone do pracy w sieciach komórkowych cały czas stanowią główny nurt sprzedaży, a dodatkowym czynnikiem poprawiającym tempo rozwoju rynku jest ciągły spadek ich cen lub wzrost funkcjonalności i zasobów, które się dostaje za daną sumę. Upraszcza to implementację i obniża koszty docelowej aplikacji, gdyż na przykład zewnętrzny mikrokontroler lub dodatkowe układy stają się zbędne. Często więc sam moduł wystarcza do realizacji aplikacji, bo ma dostępne nie tylko zasoby obliczeniowe i pamięć, ale też układy peryferyjne. Umożliwia to znaczne skrócenie czasu potrzebnego na wdrożenie aplikacji, uproszczenie płytki PCB oraz zmniejszenie rozmiarów finalnego urządzenia, co ma szczególne znaczenie w dobie IoT.

Jeszcze do niedawna zdecydowana większość sprzedawanych modułów to były głównie jednostki GSM/ GPRS, przeznaczone do aplikacji niewymagających przesyłania dużej ilości danych. Obecnie widać wyraźny wzrost sprzedaży modułów o większej szybkości zdolnych do pracy w sieciach LTE. Moduły do sieci komórkowych zwykle pozwalają na migrację od rozwiązań najprostszych do najbardziej wydajnych bez konieczności przeprojektowania płytki lub też na stworzenie jednej mozaiki do produktu na różne rynki i standardy (Europa, USA). Dostępne są też wielosystemowe "kombajny" oraz wersje z wbudowanym odbiornikiem lokalizacyjnym GPS+Glonass+Beidou lub Bluetooth albo Wi-Fi.

W zależności od obsługiwanej kategorii sieć w standardzie LTE zapewnia transmisję danych z prędkością do 150 Mbps (dla kat. 4) dzięki możliwości pracy wieloantenowej (MIMO), pozwalającej na jednoczesny odbiór i nadawanie danych w wielu kanałach jednocześnie. Niemniej takie rozwiązania o dużej wydajności są oczywiście kosztowne, stąd dla aplikacji IoT i podobnych rozwiązań producenci przygotowali produkty bazujące na LTE niższych kategorii, 0, 1 (o przepustowości do 10 Mbps) lub M1. Działają one w sieci LTE, a więc nie niosą ze sobą ryzyka projektowego, że z czasem stracą zasięg, ale też nie są przewymiarowane w stosunku do potrzeb aplikacji. Typowe aplikacje, jak liczniki wody, gazu czy ciepła, systemy alarmowe, czujniki zadymienia, śledzenie ludzi i zwierząt, produkty AGD, kontrola dostępu do budynku, sterowanie oświetleniem, różnego rodzaju czujniki, np. stacje meteorologiczne itp., nie potrzebują większych wydajności stąd LTE niskiej kategorii może być dobrym pomysłem.

Bluetooth low energy

Najnowszy Bluetooth Low Energy (BLE) w wersji 5 to kolejna usprawniona wersja doskonale znanego standardu komunikacyjnego, która dobrze wpasowuje się w potrzeby aplikacji IoT, elektroniki noszonej i innych urządzeń zasilanych z baterii. BLE jest efektywny energetycznie (stąd nazwa) i zapewnia większą efektywność komunikacji, lepszą elastyczność pracy i konfiguracji dołączonych urządzeń, w tym możliwość jednoczesnej pracy w trybie nadawania i odbioru danych. Niższe są też koszty implementacji. Rosnąca popularność BLE w urządzeniach mobilnych powodują, że Bluetooth Low Energy jest najpopularniejszą metodą komunikacji urządzeń typu wearables.

Bluetooth jest przydatny wszędzie tam, gdzie konieczne jest nie tyle stworzenie całej sieci, co jedynie przesłanie, od czasu do czasu, niewielkiej ilości danych na niedużą odległość. Wersje BLE pozwalają tworzyć energooszczędne urządzenia pracujące na zasilaniu bateryjnym przez wiele lat i np. przesyłające od czasu do czasu zgromadzone dane.

Wi-Fi

W dziedzinie komunikacji bezprzewodowej Wi-Fi jest jednym z najbardziej powszechnych sposobów łączności zapewniającej bezpieczne, niezawodne i szybkie połączenia bezprzewodowe IP. Takie moduły wybierane są zwykle, gdy pobór energii jest drugoplanowy, a liczy się łatwość rozszerzenia urządzenia o komunikację opartą na protokole IP bez wprowadzania większych modyfikacji w działających urządzeniach lub rozszerzenie dowolnych urządzeń wyposażonych w interfejsy UART, SPI, RMII, USB lub LAN o bezprzewodowość. Moduły Wi-Fi to rozwiązania niedrogie, często wykorzystywane jako mosty zapewniające "przezroczystą" transmisję sygnałów. Są one podstawą aplikacji przemysłowych, medycznych, a koncepcyjnie moduły te są zbliżone do całej reszty już omówionych rozwiązań. Komunikację Wi-Fi mają wbudowane licznie dostępne na rynku płytki rozwojowe i większość platform do IoT. Dużą popularność W-Fi (i Bluetooth) w zakresie IoT zapewniają mikrokontrolery z wbudowaną komunikacją, np. Espressif ESP8266.

RF – ciągle się rozwija, bo są niedrogie mcu z RF

Komunikacja bezprzewodowa to także rozwiązania, gdzie nie są potrzebne standardy, duży zasięg lub przepustowość. Aplikacje, gdzie dochodzi do podłączenia jednego urządzenia do sterownika, takie, gdzie nie ma wymagań co do interoperacyjności na poziomie protokołu i podobnych, a więc ogólnie klasa zagadnień o mniejszej złożoności, są z powodzeniem obsługiwane za pomocą modułów radiowych, wbudowanych do wnętrza MCU, dostępnych w formie specjalizowanego chipa. Są to też moduły hybrydowych transceiverów radiowych przeznaczone do wlutowania w PCB, które na wejściu i wyjściu dostarczają/przyjmują zwykły sygnał cyfrowy, realizując modulację/demodulację oraz obsługę toru w.cz.

Takie produkty zawsze będą, bo nikt rozsądny nie będzie robił bezprzewodowego dzwonka do bramy na czymś bardziej skomplikowanym. Taki moduł pozwala też zrobić rozwiązanie o charakterze własnościowym (np. w alarmie) z użyciem specyficznego kodowania lub szyfrowania, bo nie zawsze korzystanie z czegoś znanego jest rozsądne. Jak wiadomo w przypadku sieci bezprzewodowych zagadnienia bezpieczeństwa stają się coraz bardziej istotne, a w przypadku aplikacji IoT nawet są postrzeganie jako kluczowe czynniki dla rozwoju. Stąd tor radiowy z własną obsługą transmisji bywa interesującym pomysłem w pewnej klasie aplikacji, np. w systemie alarmowym.

Moduły wielosystemowe

Coraz więcej modułów do komunikacji bezprzewodowej to wersje wielostandardowe lub wielofunkcyjne. Najczęściej Wi-Fi łączy się w jednym komponencie z Bluetooth, a moduły komunikacyjne z nawigacją, np. LTE- +GNSS. Takie połączenie jest wygodne, tańsze, zajmujące mniej miejsca i tym samym lepiej dopasowane do wymagań aplikacyjnych. Przykładem może być lokalizator wysyłający pozycję obiektu za pomocą sieci komórkowej lub automat podłączony na stałe do sieci przez Wi-Fi, ale także umożliwiający podłączenie się przez Bluetooth użytkownikom/pracownikowi serwisu. Sytuacji, gdzie dodatkowy interfejs jest potrzebny lub przynajmniej mile widziany, jest coraz więcej i stąd produkty takie zyskują na popularności.

Takie komponenty wspierają projektanta w zakresie oprogramowania, czyli wymagają mniej zabiegów programistycznych nad przekodowaniem, przesłaniem i obróbką danych. Domyślne zadania, jak wysyłanie pozycji przez modem komórkowy, są już wstępnie przygotowane przez producenta. Moduły wielosystemowe są też mniejsze od każdego alternatywnego rozwiązania, a to w obszarze elektroniki mobilnej oraz aplikacji IoT jest bardzo istotne. To samo dotyczy mniejszego poboru mocy, liczby wymaganych elementów zewnętrznych.

Usługi

Im bardziej aplikacje komunikacji bezprzewodowej są powszechnie wykorzystywane, rozproszone po obiektach, w przestrzeni jako elementy systemów pomiarowych, sieci sensorycznych, tym bardziej rośnie znaczenie dostępności usług związanych z obsługą zdalną takich aplikacji. Aby możliwe było zainstalowanie czujnika w niedostępnym miejscu, konieczne jest zapewnienie bezobsługowości, czyli możliwości aktualizacji oprogramowania drogą radiową, monitorowania stanu, diagnozowania działania i podobnych. Dla wielu takich zastosowań jedną z najważniejszych funkcjonalności jest też możliwość wysyłania danych do chmury, po to, aby dane były gromadzone w sposób automatyczny i dalej przetwarzane.

Z czasem znaczenie tej sfery działania aplikacji staje się coraz bardziej istotne, a usługi towarzyszące takiej komunikacji, związane z obróbką danych, stają się coraz istotniejsze. Nietrudno dostrzec, że w obszarze IoT mamy do dyspozycji coraz bardziej uniwersalne, zaawansowane platformy sprzętowe. Coraz łatwiej kupić rozwiązania prawie gotowe, takie które wymagają jedynie konfiguracji, niewielkiej integracji (obudowa, zasilanie, podłączenie czujnika) i tym samym wysiłek projektanta kieruje się w stronę aplikacyjną, integracyjną oraz właśnie związaną z analityką danych. Jest to słuszny kierunek, bo przecież nie ma sensu, aby każdy inżynier zajmujący się IoT i komunikacją bezprzewodową rozwiązywał podstawowe problemy z tworzeniem hardware, firmware, bo część ta jest w sumie zawsze podobna, a poza tym coraz bardziej zaawansowana technologia półprzewodnikowa pozwala zamknąć ją do jednego chipa.