Komunikacja bezprzewodowa - bez niej IoT nie ma racji bytu

Komunikacja bezprzewodowa jest dzisiaj niezwykle popularna i dla wielu aplikacji takich jak IoT warunkuje sens istnienia produktu oraz rynkową wartość dodaną. Rozwój Internetu Rzeczy (IoT) powoduje, że coraz więcej różnego typu urządzeń korzysta z bezprzewodowej łączności z Internetem, począwszy od elektroniki osobistej, przez rozmaite czujniki aż do układów przemysłowych.

Zróżnicowanie urządzeń, ich przeznaczenia, sposobu konstrukcji oraz warunków pracy wymusza stosowanie różnych standardów komunikacji, najlepiej dopasowanych do rzeczywistych potrzeb. Za tę różnorodność odpowiadają dziesiątki różnych rozwiązań komunikacyjnych, które dostępne są w ramach modułów, o różnym przeznaczeniu, możliwościach i funkcjonalności, a także gotowych urządzeń. Warto zapoznać się z najbardziej popularnymi rozwiązaniami, aby w konkretnej sytuacji móc świadomie dokonać wyboru najodpowiedniejszego z nich.

Ceny modułów i urządzeń komunikacyjnych stale maleją i za tę samą kwotę co kiedyś 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 rozwiązań, jak moduły komórkowe.

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. Moduły komunikacyjne są coraz prostsze w aplikacji, poprawia się dostępność oprogramowania, narzędzi projektowych i projektów referencyjnych.

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 jak Phyton.

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.

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. Producenci modułów stale 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. 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.

Potencjał poszczególnych rozwiązań komunikacji bezprzewodowej wg standardu

 

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 stanowią 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.

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 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 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 rozwiązania 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 jest dobrym pomysłem.

BLUETOOTH LOW ENERGY

Bluetooth Low Energy (BLE), usprawniona wersja doskonale znanego standardu komunikacyjnego, jaka pojawiła się na rynku w 2010 roku (4.0), okazała się strzałem w dziesiątkę, bo jego funkcjonalność dobrze wpasowuje się w potrzeby aplikacji IoT, elektroniki noszonej i innych urządzeń zasilanych z baterii.

BLE jest efektywny energetycznie (stąd nazwa) i zapewnia większą sprawność komunikacji, lepszą elastyczność pracy i konfiguracji dołączonych urządzeń, w tym możliwość jednoczesnej pracy w trybie nadawania i odbioru danych. Aktualnie na rynek wchodzą produkty obsługujące wersję 5.0, jeszcze szybszą i efektywniejszą energetycznie niż 4.2.

Rosnąca popularność BLE w urządzeniach mobilnych (BLE jest obsługiwany przez około 90% tabletów i smartfonów będących w użyciu) powodują, że Bluetooth Low Energy jest dzisiaj prawdopodobnie najpopularniejszą metodą komunikacji urządzeń typu wearable.

WI-FI

Wi-Fi jest jednym z najbardziej powszechnych sposobów łączności zapewniającej bezpieczne, niezawodne i szybkie połączenia bezprzewodowe. 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, 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.

Ocena potencjału rynkowego nowości w obszarze modułów do komunikacji bezprzewodowej

 

Zdaniem ankietowanych osób najlepsze perspektywy stają przed modułami przeznaczonymi do komunikacji z wykorzystaniem sieci komórkowych, ale w standardzie LTE oraz nowych wersjach Wi- Fi. Za perspektywiczne oceniono także technologie wąskopasmowe o dużym zasięgu LPWAN, które pojawiają się w ofertach i przeznaczone są do aplikacji IoT (LoRa, NB- 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.

SIECI LPWAN

LoRa, Sigfox to nazwy technologii, które pojawiają się coraz częściej w obszarze nowości produktowych.

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 w pasmach ISM, co nie wymaga płacenia za częstotliwości. W przypadku tych sieci komunikacja jest wolna po to, aby ograniczyć podatność na zakłócenia i wykorzystuje wąskie pasmo po to, aby poprawić warunki odbioru sygnału (lepszy stosunek sygnału do szumu) i zasięg.

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, którym też trzeba płacić za korzystanie.

LoRa jest bardziej otwarta w tym zakresie i nie ma tutaj z góry założenia, że dostęp będzie płatny. Może właśnie dlatego na mapie zasięgu Sigfox Polska jest cały czas białą plamą, a dla LoRa mamy aktywnych coraz więcej stacji bazowych, które pojawiają się w większych miastach.

Obie sieci są wspierane przez licznych partnerów tworzących stowarzyszenia LoRa Alliance i Sigfox Alliance. Sigfox nie wykorzystuje własnościowego protokołu, dzięki czemu układy mogą produkować różne firmy bez umów i formalności, wystarczy, że spełnią specyfikację techniczną Sigfox.

Takie układy ma na przykład Atmel/Microchip, TI, On Semi, ST Micro oraz Radiocrafts, Telit. Dla LoRa dostawcami chipów i rozwiązań komunikacyjnych są Semtech, Microchip, HopeRF i wielu innych.

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 sieci 4G i rosnącym znaczeniem aplikacji IoT wiele nowoczesnych rozwiązań staje się zbyt skomplikowanych i tym samym zbyt drogich z punktu widzenia potrzeb IoT.

Szybkość komunikacji jest tutaj praktycznie bez znaczenia, bo liczy się czas pracy na bateriach. W rezultacie umieszczenie w sprzęcie IoT modemu komórkowego 4G nie ma sensu od strony technicznej i ekonomicznej. Te dylematy rozwiązuje standard NB-IoT (Narrow Band IoT), który wykorzystuje sieć komórkową 4G, ale nie ma wymienionych wad.

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 i zapewnia wysoką sprawność energetyczną.

Moduły NB-IoT otwierają 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 na skutek wycofywania takich nadajników z eksploatacji.

MODUŁY RF

Komunikacja bezprzewodowa nie zawsze bazuje na standardach i znanych protokołach. Moduły takie kierowane są do prostych aplikacji włącz/wyłącz lub rozwiązań własnościowych, które nie muszą mieć zdolności do komunikacji z innym sprzętem. Czasem też aplikacje są zbyt proste, aby aplikować do nich złożoną i wydajną komunikację. W takim wypadku są one też tańsze w realizacji.

Wiele z nich pozwala na programowanie parametrów za pomocą interfejsu cyfrowego, budowę sieci typu mesh lub wykorzystanie zamiast pojedynczego kanału pasma ISM (433/868/2,4 GHz) transmisji z rozpraszaniem widma lub skakaniem po kanałach.

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.

PRODUKTY DLA AUTOMATYKI I PRZEMYSŁU

W tym obszarze liczą się głównie rozwiązania komunikacyjne o dużym stopniu integracji, a więc zawierające moduł radiowy, zasilacz, sterownik i interfejs komunikacyjny odpowiedzialny za komunikację z siecią przemysłową w jednym lub kilku standardach sieci. Są też kontrolki i przełączniki i wyjście na antenę zewnętrzną.

Moduły kierowane w ten obszar zwykle mają bardzo rozbudowaną funkcjonalność w zakresie oprogramowania wewnętrznego, np. wbudowany webserwer, system operacyjny, wyświetlacz LCD i nierzadko obsługują kilka standardów radiowych i pasm częstotliwości. Często też funkcje związane z komunikacją bezprzewodową rozszerza się o porty cyfrowe i analogowe. Takie urządzenia kupowane są głównie przez integratorów systemów.

DOSTAWCY MODUŁÓW KOMUNIKACYJNYCH

 

Przegląd ofert krajowych dostawców modułów do komunikacji bezprzewodowej

Wśród firm zajmujących się sprzedażą sporą grupę tworzą dostawcy komponentów elektronicznych o szerokiej ofercie, jak firmy katalogowe: Farnell element14, Elfa Distrelec, RS Components, Conrad Electronic, TME oraz duże hurtownie i dystrybutorzy międzynarodowi (Micros i Maritex oraz Arrow Electronics, EBV).

Drugą grupę stanowią firmy dystrybucyjne o wyspecjalizowanej ofercie, dla których komunikacja bezprzewodowa jest jednym z ważniejszych obszarów aktywności, np. Elproma Elektronika, Acte, Eltronika, Microdis Electronics, Elhurt, Masters, Gamma, JM elektronik, Soyter Components, Computer Controls oraz Glyn.

Reprezentują one czołowych producentów jak Gemalto (Cinterion), SimCom, Sierra-Wireless, uBlox oraz zapewniają pełną pomoc techniczną. Pomijając najprostsze konstrukcje, moduły komunikacyjne są skomplikowane technicznie, zwłaszcza te z wbudowanym procesorem aplikacyjnym, dlatego doradztwo techniczne i postrzeganie dostawcy jako partnera w projekcie w tym obszarze jest cenione.

Trzecia grupa dostawców to firmy z obszaru automatyki przemysłowej sprzedające modułowe urządzenia komunikacyjne dla potrzeb sieci przemysłowych, do łączenia rozproszonych instalacji, obiektów i zakładów - to np. Elmark Automatyka, Eltron, Inventia, Murrelektronik, CSI i podobne.

Prezentacje przykładowych firm powiązanych z tematyką tej analizy znajdują się na stronie: