Urządzenia i moduły do komunikacji bezprzewodowej

Komunikacja bezprzewodowa w ostatnich latach bardzo szybko zyskuje popularność. Obroty tego sektora rosną, pojawia się wiele nowości i technologii, które otwierają rynek na nowe obszary zastosowań. Im większa sprzedaż, tym rozwiązania komunikacyjne stają się coraz tańsze, bo liczy się efekt skali, wzrasta też liczba dostawców i producentów, którzy zajmują się tą tematyką. Bezprzewodowość staje się obecnie standardem i pojawia się w rozwiązaniach, które do tej pory były poza zasięgiem z przyczyn ekonomicznych.

Bezsprzecznie ceny modułów i urządzeń komunikacyjnych systematycznie maleją. Spadek ten dotyczy zarówno bezwzględnych cen produktów, jak i tego, że za tę samą sumę można dzisiaj kupić znacznie doskonalsze urządzenia. Spadek cen to też efekt silnej konkurencji na rynku, bo duża liczba dostawców wymusza walkę o klienta, zwłaszcza w zakresie tych najpopularniejszych i standardowych rozwiązań, jak moduły do sieci komórkowych.

Konkurencja cenowa jest bardzo podsycana przez firmy chińskie, polaryzuje też rynek i sprawia, że technologie wyceniane drożej, jak np. ZigBee, nie są w stanie się przebić. Problemem jest też psucie rynku przez podróbki rozwiązań markowych.

Kolejne czynniki pozytywnie kształtujące rynek to coraz większa prostota konstrukcyjna modułów, lepsza dostępność oprogramowania, narzędzi projektowych i projektów referencyjnych, w tym także pozycji darmowych. Producenci wkładają dużo wysiłku, aby aplikowanie komunikacji bezprzewodowej było nieskomplikowane. Wiele modułów ma zasoby sprzętowe pozwalające za ich pomocą wykonać kompletną aplikację (bez zewnętrznego mikrokontrolera), a programowanie realizowane jest w łatwych do opanowania językach wysokiego poziomu.

Warto zauważyć, że poziom penetracji rynku przez urządzenia wykorzystujące łączność bez kabli cały czas jest jeszcze niski, co też dobrze rokuje na przyszłość. Pomijając wyjątek, jakim jest elektronika konsumencka w wydaniu mobilnym, dla całej reszty, zwłaszcza elektroniki profesjonalnej, jest to cały czas nowość.

Znaczenie modułów komunikacyjnych dla firm

Dla 41% firm moduły komunikacyjne są bardzo ważnym elementem oferty handlowej, co dowodzi, że urządzenia te są postrzegane jako perspektywiczne dla biznesu i atrakcyjne. Dostawcom produktów i technologii związanych z komunikacją radiową przybywa klientów i jeśli chodzi o asortyment, oferta nieustannie poszerza się we wszystkich kategoriach i „półkach cenowych” po to, aby pokryć całe spektrum potrzeb rynkowych. Moduły komunikacyjne, podobnie zresztą jak mikrokontrolery, mogą być kołem zamachowym nakręcającym sprzedaż innych komponentów powiązanych tematycznie. Nic więc dziwnego, że postrzegane są przez tak liczne grono jako produkty strategiczne.

Szybki rozwój automatyki w zakresie produkcji, nierzadko wymuszany przez konieczność optymalizacji procesów, minimalizacji zużycia mediów i energii elektrycznej oraz rozwój branż pokrewnych takich, jak utrzymanie ruchu, ochrona i kontrola dostępu, nakręca zainteresowanie łącznością.

Rosnącą potrzebę monitoringu systemów i wizualizacji działania urządzeń widać dzisiaj coraz częściej. Tablety, laptopy, smartfony pojawiają się w halach fabrycznych, są częścią coraz popularniejszych systemów AMR, a wiele produktów infrastruktury komunikacyjnej i maszyn ma wbudowany web-serwer, do oprogramowania SCADA i ERP dodawane są aplikacje mobilne, co z pewnością przyczynia się do popularności komunikacji bez kabli. A dodatkowo na rynek wchodzą aplikacje z obszaru IoT.

Coraz częściej transmisja bezprzewodowa wybierana jest również jako połączenie pomocnicze, które zastępuje podstawowe połączenie kablowe w momencie awarii. Taka budowa sieci związana jest z trendem podnoszenia dostępności łączy dla infrastruktury krytycznej, np. w branży wodno-kanalizacyjnej, energetyce czy transporcie. Innymi słowy, jest to element zapewnienia jakości usług, a na to się dzisiaj stawia w biznesie.

Po stronie czynników negatywnych należy zapisać trend do upraszczania chipsetów rozwiązań modułowych w kierunku "all in one" oraz dominację na rynku technologii wspieranych przez producentów telefonów komórkowych. To uboczne efekty znaczenia ceny w omawianym sektorze oraz znaczenia komunikacji przez sieć komórkową.

Coraz większa konkurencja na całym rynku dystrybucji komponentów elektronicznych powoduje, że producenci nierzadko omijają sieć dystrybucji i sprzedają bezpośrednio produkty klientom końcowym. Takie zjawiska widać najbardziej dla popularnych modułów do sieci komórkowych i dostawców z Azji, niemniej liczba takich pokus rośnie wraz z prostotą zapewnianą przez elektroniczny handel (logistyka, płatności i platformy internetowe).

MODUŁY DO SIECI KOMÓRKOWYCH

Moduły przeznaczone do pracy w sieciach komórkowych ciągle stanowią główny nurt sprzedaży, a dodatkowym czynnikiem poprawiającym tempo rozwoju rynku jest ciągły spadek ich cen. Niekoniecznie dotyczy to bezwzględnych wartości dla najprostszych jednostek 2G, niemniej producenci modułów rozszerzają ich funkcjonalność, dzięki czemu klient dostaje coraz bardziej zaawansowany moduł w cenie często niższej niż model poprzedni. Upraszcza to implementację i obniża koszty docelowej aplikacji, gdyż spada zapotrzebowanie na zasoby.

Najpopularniejsze moduły komunikacyjne w ujęciu ilościowym

Ilustracja, które moduły komunikacji bezprzewodowej dominują ilościowo w statystykach sprzedaży. Przez wiele lat pierwsza pozycja należała do najprostszych modułów GSM, które były bazą do aplikacji M2M, systemów zdalnego sterowania i rozwiązań telemetrycznych. Warto zatem odnotować, że tym razem na szczycie uplasowały się rozwiązania w standardzie Bluetooth LE. Jest to z pewnością wynik ich dobrej dostępności, umiarkowanych cen i znakomitych parametrów technicznych, ale chyba przede wszystkim tego, że zapowiadana rewolucja techniczna związana z IoT staje się faktem. A dla wielu takich aplikacji Bluetooth LE tworzy łącze komunikacyjne. Warto też odnotować, że rynek słabo przyjmuje standard ZigBee. Jego mała popularność oraz wciąż wysokie ceny modułów zniechęcają klientów do inwestowania w tę technologię i w praktyce ZigBee nie liczy się komercyjnie. Słabe notowania Wireless MBUS to z kolei skutek tego, że jest to standard ukierunkowany na aplikacje AMR i raczej nie aplikowany w postaci modułów.

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, jak przetwornik ADC, porty I/O. Taki moduł należy w zasadzie traktować jako System on Module, a nie komponent elektroniczny. Oparcie sterownika aplikacji na zasobach modułu komunikacyjnego pozwala też na 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 3G, a nowością są moduły z LTE, czyli działające w sieci 4G.

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 GNSS lub Bluetooth lub Wi-Fi.

Zainteresowanie modułami 3G i LTE wymuszają zmiany infrastrukturalne sieci komórkowych realizowane i zapowiadane przez operatorów. Infrastruktura 2G nie jest już rozbudowywana i modernizowana, a nierzadko mówi się o jej ograniczaniu. Stąd konstruktor musi brać pod uwagę, że za kilka lat sieć 2G będzie miała mały zasięg. Zainteresowanie rozwiązaniami 3G i LTE jest w takiej sytuacji naturalne.

MODUŁY 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.

BLUETOOTH LOW ENERGY

Bluetooth Low Energy (BLE), usprawniona wersja doskonale znanego standardu komunikacyjnego, jest efektywna energetycznie 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.

Przegląd ofert krajowych dostawców modułów do komunikacji bezprzewodowej

Rosnąca popularność BLE w urządzeniach mobilnych (do 2018 roku BLE ma być obsługiwane przez około 90% tabletów i smartfonów będących w użyciu) powoduje, że Bluetooth Low Energy stanie się prawdopodobnie najpopularniejszą metodą komunikacji urządzeń typu wearable. Na korzyść tego standardu działa też dostępność (poza modułami) układów SoC zawierających układy analogowe (AFE - Analog Front End), mikrokontroler także zawiera wbudowany kontroler BLE.

SIECI LPWAN

LoRa, Sigfox to nazwy technologii, które pojawiają się coraz częściej. Zaliczane są do rodziny sieci LPWAN (Low Power Wide Area Networks), a więc takich rozwiązań komunikacji, gdzie kosztem maksymalnej szybkości transmisji danych powiększono zasięg i sprawność energetyczną łącza. Domyślnym obszarem aplikacyjnym jest tutaj oczywiście IoT.

Koncepcyjnie obie sieci są podobne do telefonii komórkowej: mają topologię gwiazdy, w której terminale łączą się z siecią i między sobą za pomocą stacji bazowych BTS (Base Transceiver Station). Innymi słowy, do ich działania konieczna jest infrastruktura techniczna. Niemniej BTS-y pracują z pasmach ISM, co nie wymaga płacenia za częstotliwości.

Najpopularniejsze moduły komunikacyjne w ujęciu wartościowym

Największe dochody zapewniają dystrybutorom moduły komunikacyjne w standardzie Wi- Fi oraz najprostsze rozwiązania GSM. Z uwagi na niewielką różnicę procentową można w przybliżeniu uznać, że obie te grupy produktów razem tworzą czołówkę wartościową sprzedaży. Wi-Fi to rozwiązania często spotykane w przemyśle, gdzie stanową medium pozwalające na przedłużenie sieci ethernetowych. Są one też naturalną częścią urządzeń specjalistycznych, gdzie liczy się wydajność i kompatybilność sprzętu z rozwiązaniami pochodzącymi od różnych producentów. Razem z prostymi modułami GSM są to również moduły o największym wolumenie sprzedaży.

Sieć Sigfox pokrywa swoim zasięgiem aktualnie Francję, Hiszpanię, Włochy, Wielką Brytanię, Belgię i Holandię, a także część Czech i Węgier, plus kilka aglomeracji w USA. We Francji sieć ta tworzy lokalny własny system, w którym można wykupić abonament, w innych działa poprzez partnerów. Na mapie zasięgu Sigfox na razie Polska jest białą plamą. Dla LoRy mamy aktywnych dosłownie kilka stacji bazowych: we Wrocławiu, Gdyni, trwają przymiarki do uruchomienia BTS-a w Warszawie. Jak widać, na razie są to bardzo skromne początki, niemniej z pewnością szybko się to zmieni.

NB-IOT

Przez wiele lat moduły komunikacyjne pracujące w technologii GPRS (2G) i komunikujące się poprzez sieć komórkową były podstawą komunikacji bezprzewodowej. Wraz z popularyzacją szybkiej komunikacji w telefonii komórkowej 3G i 4G wiele z równoważnych rozwiązań staje się zbyt skomplikowanych i tym samym zbyt drogich z punktu widzenia potrzeb wielu urządzeń.

Co więcej, duża część sprzętu transmituje niewiele danych, a szybkość komunikacji jest dla nich praktycznie bez znaczenia, bo liczy się czas pracy na bateriach. W rezultacie umieszczenie w sprzęcie IoT modemu komórkowego 3G lub 4G nie ma sensu od strony technicznej i ekonomicznej. Te dylematy ma rozwiązać nowy standard NB-IoT (Narrow Band IoT), który wykorzystuje sieć komórkową 4G, ale nie ma wymienionych wad.

Co się liczy w ofertach handlowych w zakresie modułów

Zestawienie kryteriów, które w największym stopniu wpływają na sprzedaż modułów komunikacji bezprzewodowej. Zwykle na pierwszym miejscu w takich zestawieniach znajduje się cena, co jest pochodną silnej konkurencji na rynku. Tak jest również tym razem, bo kryterium to wyprzedziło aż o 9% kolejną pozycję. Niemniej opinia, że najważniejsza jest jakość i niezawodność rozwiązań, też jest notowana wysoko. Zapewne jest to element postępującej dojrzałości rynku, rosnącego znaczenia specjalizacji, walki o wysoką jakość itp. W porównaniu do innych komponentów elektronicznych dość wysoko uplasowało się znaczenie kompetencji technicznych sprzedawców i dostępność nowych technologii w ofercie. To jest konsekwencja dużej złożoności technicznej tych zagadnień, szybkiej ewolucji rozwiązań, licznych protokołów, standardów pasm i obszarów aplikacyjnych.

Maksymalna szybkość komunikacji możliwa do uzyskania w tym rozwiązaniu to 200 kbps DL. Uzyskuje się ją przy zajęciu pasma o szerokości jedynie 200 kHz (przy LTE kat. 4 jest to aż 20 MHz). Wąskopasmowa praca pozwala na zdecydowanie większe skupienie urządzeń na małym obszarze, co w przypadku IoT jest kluczowym czynnikiem.

Moduły NBIoT w zamyśle producentów nie mają konkurować z rozwiązaniami 2G/3G/4G, ponieważ nie nadają się do aplikacji z regularnym, dużym/średnim transferem danych albo wymagających połączeń głosowych czy innych rodzajów funkcjonalności. 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.

MODUŁY RF

Komunikacja bezprzewodowa nie zawsze bazuje na standardach. Ich działanie ogranicza się do warstwy fizycznej komunikacji bez obsługi znanego protokołu. Są one kierowane do prostych aplikacji włącz/wyłącz lub rozwiązań własnościowych, które nie muszą mieć zdolności do komunikacji z innym sprzętem. Czasem też urządzenia są zbyt proste, aby aplikować do nich złożoną i wydajną komunikację. W takim wypadku są one też tańsze w realizacji.

Wiele z nich bazuje na chipach TI i SoC-ach działających na zasadzie radia programowalnego, pozwalając na programowanie parametrów za pomocą interfejsu cyfrowego lub też załadowanie do pamięci mniej typowych rozwiązań jak np. Wireless M-Bus, budowę sieci typu mesh lub wykorzystanie zamiast pojedynczego kanału pasma ISM (433/868/2,4 GHz) transmisji z rozpraszaniem widma lub skakaniem po kanałach.

Ocena potencjału rynkowego nowości w zakresie modułów do komunikacji bezprzewodowej

Zdaniem ankietowanych osób najlepsze perspektywy stoją przed modułami przeznaczonymi do komunikacji z wykorzystaniem sieci komórkowych, ale w standardzie LTE oraz w nowych wersjach Wi-Fi. Za perspektywiczne oceniono także technologie wąskopasmowe o dużym zasięgu, takie jak LoRa i Sigfox, które pojawiają się w ofertach i przeznaczone są do aplikacji IoT. Dużo głosów dostał też Bluetooth LE. Wyraźne wybicie się na pierwszej pozycji modułów LTE to zapewne efekt tego, że sieci LPWAN nie mają jeszcze infrastruktury zapewniającej pokrycie kraju oraz tego, że jest to rozwinięcie znanych konstruktorom technologii, nierzadko oferowane na tzw. ścieżce migracji.

Innymi słowy, prostota funkcjonalna tych modułów nie oznacza ubogiej funkcjonalności. Występują one w bardzo wielu odmianach: od najprostszych par nadajnik- odbiornik do otwierania bramy, po rozwiązania z procesorem aplikacyjnym, wejściami analogowymi i cyfrowymi, obsługą sieci o różnej topologii, szyfrowaniem transmisji i innymi. Opcje konfiguracyjne obejmują m.in. częstotliwość pracy, moc, obsługę sieci, tryby uśpienia i podobne.