Urządzenia i moduły do komunikacji bezprzewodowej

Jeszcze kilka lat temu, chcąc zaimplementować obsługę sieci bezprzewodowej w urządzeniu elektronicznym, konstruktor miał dosyć łatwy wybór. Do komunikacji na duże odległości wybierał modem sieci komórkowej, do łączenia się z siecią lokalną sięgał po Wi- Fi, a na potrzeby sieci osobistej stosował Bluetooth. Oczywiście zawsze istniała możliwość realizacji jakiejś indywidualnej metody bezprzewodowego transferu danych – jak np. w modułach radiowych, ale mimo to była to decyzja względnie prosta.

Czasy się jednak zmieniły, a oczekiwania klientów w zakresie bezprzewodowości i nowe koncepcje jak IoT lub Przemysł 4.0 sprawiły, że powstały nowe standardy oraz zupełnie nowe wersje już istniejących. Obecnie konstruktor ma do wyboru nie tylko kilka generacji sieci Wi-Fi i komórkokomórkowych oraz Bluetooth różniących się nie tylko przepustowością, ale i poborem mocy, z których nie wszystkie są ze sobą kompatybilne. Do dyspozycji są też inne rozwiązania otwarte, takie jak 6LoWPAN oraz własnościowe protokoły, takie jak MiWi, LoRa, przemysłowe np. Wireless Mbus. Do tego RFID coraz częściej zastępowane jest implementacjami NFC, które także umożliwia dwukierunkową komunikację bezprzewodową. Razem tworzy to ogromne możliwości i wybrania optymalnego rozwiązania do projektu staje się coraz bardziej skomplikowane.

Ważne i poszukiwane wersje urządzeń i modułów do komunikacji bezprzewodowej

 

Najpopularniejszą część rynku i jednocześnie najbardziej poszukiwaną tworzą moduły i urządzenia komunikacyjne do sieci komórkowych nowszych generacji (3G/4G), ale zaraz po nich uplasowały się na wykresie rozwiązania Wi-Fi, a dalej w dalszej kolejności Bluetooth. Odpowiada to potencjałowi tych technologii, zakresowi aplikacyjnemu i co więcej, ani kolejność, ani przedstawione na wykresie wskazania nie wydają się zaskakujące. Z roku na rok widać też, że pozycja rynkowa najprostszych rozwiązań GSM- owych (starszych technologii, tj. 2G) sukcesywnie się zmniejsza, jako rezultat malejących cen nowszych produktów, zmian w infrastrukturze sieci komórkowych i jako efekt wycofywania starszych rozwiązań z ofert. Niezmiennie od lat pozycja rynkowa ZigBee jest bardzo słaba, natomiast sieci LPWAN (LoRa, NB-IoT itp.) powoli zyskują na znaczeniu.

BLUETOOTH – SZYBKA EWOLUCJA NAKRĘCANA SMARTFONAMI

W zakresie komunikacji Bluetooth rozwój produktów oraz samego standardu w ostatnich latach bardzo przyspieszył. Aktualnie mamy już 5. wersję, która zapewnia daleko lepsze parametry w porównaniu do poprzedników, zwłaszcza tych sprzed wersji BLE. Bluetooth jest najważniejszą opcją w zakresie komunikacji do aplikacji IoT, bo zapewnia dobre własności energetyczne, wystarczający zasięg i jest dostępny w szerokiej gamie rozwiązań układowych w postaci modułów, samych chipów, mikrokontrolerów z wbudowanym układem tego typu. Do popularności przyczynia się też to, że część aplikacji IoT jest obsługiwana za pomocą smartfonów, właśnie z użyciem Bluetooth.

Bluetooth jest przydatny wszędzie tam, gdzie konieczne jest nie tyle stworzenie całej sieci, ale jedynie przesłanie, od czasu do czasu, niewielkich ilości informacji na niedużą odległość. Wersje BLE (4 i wyżej) pozwalają tworzyć energooszczędne urządzenia pracujące na zasilaniu bateryjnym przez wiele lat i np. przesyłające od czasu do czasu zgromadzone dane. Jeśli natomiast projektowane urządzenie będzie obsługiwało zarówno Wi- Fi, jak i Bluetooth, warto sięgnąć po zintegrowane układy, które pozwalają na użycie obu tych standardów, bez potrzeby stosowania dodatkowych chipów.

Istotne nowości w obszarze komunikacji bezprzewodowej

 

Za najistotniejsze nowości w obszarze komunikacji bezprzewodowej pytani w ankietach specjaliści wskazali moduły do sieci komórkowych 4G tzw. niskich kategorii, a więc zapewniające mały pobór mocy kosztem wydajności. Rozwiązania te kierowane są do aplikacji IoT i zapewniają one w przybliżeniu podobne cechy do sieci LPWAN, ale nie ma tu konieczności budowy infrastruktury transmisyjnej. Miniaturyzacja i niski pobór mocy są zawsze dla rynku interesującym trendem, natomiast popularność i znaczenie rynkowe modułów combo wynika z tego, że wiele aplikacji ma takie właściwości, że są one korzystniejszą alternatywą. Przykładem może być rejestrator transportowy, który odczytuje położenie pojazdu i wysyła go do bazy za pośrednictwem sieci komórkowej.

RF – CIĄGLE SIĘ ROZWIJA, BO SĄ NIEDROGIE MCU Z RF

Komunikacja bezprzewodowa to także rozwiązania, gdzie nie są potrzebne standardy, duży zasięg lub przepustowość. To np. aplikacje, gdzie dochodzi do podłączenia jednego urządzenia do sterownika, takie, gdzie nie ma wymagań co do interoperacyjności na poziomie protokołu i podobne, 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 istotniejsze, 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. Najlepszym przykładem mogą tu być właśnie bezprzewodowe systemy alarmowe.

Główne trendy techniczne

 

Za najważniejsze trendy techniczne zmieniające rynek komunikacji bezprzewodowej uznano niski pobór mocy, co jest uniwersalną wartością zmieniającą cały rynek elektroniki, a zwłaszcza technologie mobilne. Na drugim miejscu uplasowała się dostępność zdalnego zarządzania pracą aplikacji, możliwością aktualizacji oprogramowania drogą radiową, dzięki którym projektowanie rozproszonych sieci czujnikowych, IoT i podobnych rozwiązań staje się łatwiejsze, a eksploatacja tańsza. Za znaczącą nowość uznano moduły SoM pozwalające na stworzenie aplikacji bez konieczności dodawania zewnętrznego hardware’u (MCU, pamięć), jak również coraz doskonalsze oprogramowanie projektowe przyspieszające tworzenie aplikacji.

ZIGBEE

Standard ZigBee nigdy nie odniósł takiego sukcesu, jak Wi- Fi czy Bluetooth, mimo że z założenia miał być bardziej niezawodny i energooszczędny. Może obsługiwać różne topologie sieciowe, w tym kratę (mesh). Urządzenia połączone w ten sposób retransmitują otrzymane dane, dzięki czemu nie ma potrzeby stosowania pojedynczych, centralnych węzłów, które pośredniczyłyby w komunikacji i od których działania zależałaby sprawność całej sieci. Co więcej, komunikacja ZigBee jest szyfrowana z użyciem 128-bitowego klucza i pomyślana z założeniem, że stosujące ją urządzenia będą wzbudzały się niemal tylko na czas transmisji. W efekcie stworzono standard, który pozwala na tworzenie bardzo energooszczędnej instalacji, stosowanej np. w rozległych sieciach czujnikowych. Z czasem powstały nowsze wersje standardu, ale w ich upowszechnieniu stała się problemem licencja, na której oferowana jest specyfikacja ZigBee. Pomimo że dla celów niekomercyjnych specyfikacja jest dostępna bezpłatnie, w przypadku zastosowań komercyjnych konieczna jest przynależność do organizacji ZigBee Alliance, która wiąże się z opłatami. To natomiast sprzeczne jest z założeniami licencji GPL, w związku z czym włączanie obsługi ZigBee do bibliotek oferowanych bezpłatnie w ramach licencji GPL stało się niemożliwe. Wydaje się, że powyższe ograniczenie sprawiło, że ZigBee nie przyjęło się w urządzeniach konsumenckich, a przyszłość w automatyce budynkowej jest mocno niepewna, gdyż najnowsza wersja standardu Bluetooth zapewnia podobną funkcjonalność, a jednocześnie jest znacznie bardziej rozpowszechniona.

Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rozwoju rynku komunikacji bezprzewodowej

 

Listę najważniejszych trendów rynku komunikacji bezprzewodowej pozytywnie wspierających rozwój rynku otwiera duże znaczenie komunikacji bezprzewodowej, a więc oczekiwania klientów, aby wszystko było połączone. Kryje się za tym wartość dodana, funkcjonalność i zwykła wygoda. Dla urządzeń mobilnych, których jest przecież coraz więcej, brak przewodów to w praktyce sens istnienia. Pozytywnie wspierają rozwój także nowe standardy. Mimo że jest ich coraz więcej, często się zmieniają i kolejne wersje nierzadko mają czas życia rzędu kilku lat, przełamują one wiele barier za pomocą wymyślnych modulacji, protokołu lub też dopasowania do specyficznych wymagań.

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 automatycznego 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 istotniejsze, a usługi towarzyszące takiej komunikacji, związane z obróbką danych stają się ważne. Nietrudno dostrzec, że w obszarze IoT mamy do dyspozycji coraz bardziej uniwersalne, zaawansowane platformy sprzętowe. 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 zajmujących 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.

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.

Patrząc z perspektywy, można powiedzieć, że zmiany idą w takim kierunku, aby najważniejszym problemem do rozwiązania był pomysł na aplikację 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 w taką platformą chmurze obliczeniowej zamiast tworzenia i konfigurowania własnej.

Najważniejsze czynniki negatywne dla rynku

 

Czynniki negatywnie oddziałujące na rynek to tanie produkty azjatyckie, które są ogólnie łatwo dostępne, bo producentów jest wielu, a rynek jest szeroki i chłonny. Na dodatek w Chinach łańcuch dostaw jest dość skomplikowany, nierzadko celowo uwikłany po to, aby niemożliwe było wyśledzenie, czy dostawca jest firmą handlową, czy producentem. Tamtejsze firmy mają często swobodne podejście do rynku dystrybucji i sprzedają towar każdemu, kto się zgłosi, także w kanałach B2C za pośrednictwem platform internetowych. Efektem jest zaostrzenie konkurencji.

ROLA TANICH MODUŁÓW GSM STARSZEJ GENERACJI

Rynek komunikacji bezprzewodowej łączy w całość wielu producentów oraz także bardzo szeroki asortyment produktów. W zakresie komunikacji technologie zmieniają się bardzo szybko i to, co dzisiaj wydaje się znakomite pod względem parametrów, wydajności i możliwości, za rok–dwa zostanie zastąpione czymś nowszym. W dużej części rozwój oznacza też zachowanie kompatybilności wstecznej, przez co starsze rozwiązania dalej można używać. W przypadku sieci komórkowych lada moment będziemy korzystać z technologii 5G, aktualnie mamy produkty 4G (LTE), ale cały czas dostępne są wersje 3G, a nawet 2G (GPRS).

Takie rozwiązania mają niewyszukane możliwości, ale dla części użytkowników nadal są wystarczające i relatywnie tanie. Poza tym liczy się ich dostępność, w miarę standardowa konstrukcja, bo są one nierzadko jak spod tego samego stempla, dzięki czemu można łatwo zmienić dostawcę.

Niskie ceny konserwują rynek, bo tym bardziej zaawansowanym trudniej się jest przebić. Teza ta jest najbardziej prawdopodobna w przypadku uniwersalnych technologii komunikacji, czyli dla sieci telefonii komórkowej. Im rozwiązania są bardziej specjalistyczne, tym zjawisko to jest słabiej zarysowane, bo wartość dodana nowych rozwiązań, np. energooszczędność, jest większa i tym samym decydująca o potencjale aplikacyjnym.

ŹRÓDŁA AZJATYCKIE TYPU DIRECT

Rynek dystrybucji i łańcuch dostaw, jaki na nim funkcjonuje, szybko się zmienia i z pewnością można nazwać skomplikowanym. Komponenty można kupować z różnych źródeł: od dystrybutora autoryzowanego, firmy dystrybucyjnej bez autoryzacji, brokera, a także od producenta, na rynku lokalnym i za granicą przez Internet. Z pewnością nie wyczerpuje to dostępnych opcji, ale w miarę upływu lat zakupy stają się coraz prostsze, a możliwości zaopatrzenia w ten sam produkt jest coraz więcej. Powiązania między firmami robią się też coraz mniej formalne. Dawniej dystrybutor autoryzowany odpowiadał za przydzielony mu obszar rynku i sprzedaż była ukierunkowana formalnie w jego stronę. Niemniej wraz z pojawieniem się globalnych firm katalogowych pojawiły się w tej zasadzie wyłomy, bo firmy działające w skali światowej wywalczyły sobie możliwość sprzedaży wszędzie i mają atrakcyjne ceny wynikające z dużej skali prowadzonego biznesu. Do tego doszły wielkie platformy internetowe w Azji, wysyłające towar na cały świat oraz sklepy producentów, umożliwiające kupowanie klientom końcowym bezpośrednio z magazynów wytwórcy.

Efektów tych procesów jest wiele, ale najbardziej widoczne to zaostrzenie konkurencji wynikające z rosnącej liczby miejsc, gdzie można dany towar kupić, większego znaczenia kryterium niskiej ceny oraz polaryzacji rynku na firmy o profilu handlowym oraz dostawców z wartością dodaną w postaci wsparcia technicznego, usług, oprogramowaniem i ogólnie postrzeganą wiedzą wykraczającą daleko poza to, co jest napisane w specyfikacji produktu.

Podobny proces, ale niejako z drugiej strony, widać u producentów mikrokontrolerów, który do wybranych jednostek wbudowują transceivery komunikacyjne. Dawniej był to zwykle prosty moduł radiowy na pasma ISM z niewyszukaną modulacją i parametrami, obecnie nie tylko część komunikacyjna może być na wysokim poziomie (np. Bluetooth, LoRA), a na dodatek są też rozwiązania wielosystemowe, gdzie obsługę stosu protokołu można wgrać.

SOM Z PROCESOREM APLIKACYJNYM PAMIĘCIĄ I MCU

Moduły komunikacyjne w coraz większym stopniu stają się małymi komputerkami z procesorem o relatywnie sporej mocy obliczeniowej, niezłych zasobach pamięci Flash i SRAM, interfejsie komunikacyjnym, a nawet z dostępnymi liniami GPIO, przetwornikami ADC i DAC. W takim urządzeniu można uruchomić aplikację napisaną w języku wysokiego poziomu (jak przykładowo Phyton), aby zrealizować całość prostej platformy czujnikowej, wykonawczej lub pomiarowej. Jest to bardzo wygodne zwłaszcza w tzw. projektach, a więc tam, gdzie tworzy się jednostkowe rozwiązania i urządzenia pod specyfikację klienta i o produkcji w wielkiej skali nie ma mowy.

MODUŁY COMBO

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.

Poza rozbudowaniem warstwy sprzętowej, komponenty combo wspierają projektanta w zakresie oprogramowania, czyli że wymagają mniej zabiegów programistycznych nad przekodowaniem, przesłaniem i obróbką danych. Domyślne zadania, jak wspomniane wysyłanie pozycji przez modem komórkowy, są już wstępnie przygotowane przez producenta. Moduły combo 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 itd.