Overzicht van draadloze technologie voor IoT

Het Internet of Things (IoT) is zowel bekend als onbekend in de moderne wereld. Het is een veelgebruikte term voor mensen in de tech-industrie en het bedrijfsleven, maar slechts zelden gehoord door het grote publiek, hoewel het deel uitmaakt van hun dagelijks leven. Het IoT is de connectiviteit van fysieke objecten, zoals apparaten, voertuigen, gebouwen, elektronica en netwerken, waardoor zij met elkaar kunnen interageren, gegevens kunnen verzamelen en uitwisselen. Het is van toepassing op miljoenen verschillende dingen, waaronder geactualiseerde traditionele producten die voorheen niet op het internet waren aangesloten.

Dit artikel gaat in op de vele manieren waarop deze apparaten draadloos kunnen communiceren.

Drie manieren om gegevens in de cloud te krijgen

Een van de uitdagingen van het ivd is gegevens van de sensor van het apparaat naar de cloud te krijgen, waar die gegevens worden gebruikt, verwerkt en opgeslagen. Het alomtegenwoordige gebruik van Wi-Fi en Bluetooth via smartphones, samen met de wijdverspreide beschikbaarheid van zendmasten en openbare Wi-Fi toegangspunten, biedt meer toegang tot de cloud voor IoT-sensors dan ooit tevoren. Er zijn drie basismanieren om gegevens naar de cloud te brengen.

Sensor naar gateway naar cloud. In sommige toepassingen is het optimaal om de sensorgegevens naar een gateway te sturen, die de gegevens vervolgens efficiënt naar de cloud doorstuurt. Afhankelijk van de toepassingsbehoeften kan de gateway variëren van eenvoudige relaissystemen tot "slimme" platforms die meer rekenintensieve functies uitvoeren die "edge processing" worden genoemd. Apparaten zoals parkeersensors en bureautafelsensors zijn gewoonlijk afhankelijk van gateways om de gegevens door te geven. Wi-Fi is een voorbeeld van een gateway. Voor gebruik binnenshuis moet u een Wi-Fi-gateway installeren. Op openbare locaties waar de gateway al is geïnstalleerd, werkt Wi-Fi rechtstreeks naar de cloud. Voor andere soorten draadloze communicatie, zoals Bluetooth, is een gateway nodig. Een voorbeeld van Wi-Fi in huis is Hatch Baby Grow, een slim aankleedkussen en verbonden weegschaal. Het maakt gebruik van Wi-Fi om gegevens van de weegschaal in het aankleedkussen door te sturen naar het internet thuis. De ouder en de kinderarts kunnen cloud-gebaseerde informatie volgen via een Android- of iOS-applicatie.

Sensor naar mobiele telefoon naar cloud. In sommige gevallen kan de gateway een mobiele telefoon zijn. Smartphones met Wi-Fi of Bluetooth fungeren als gateways om gegevens naar de cloud te sturen. Zo heeft Voler meegewerkt aan de ontwikkeling van oordopjes die ouderen controleren op evenwicht. Ze hebben Bluetooth LE draadloze transmissie naar een smartphone waar een bijbehorende app is. De gegevens worden vanaf de smartphone ook naar de cloud gestuurd, waar ze verder kunnen worden verwerkt en de gegevens kunnen worden gedeeld.

Smart apparaat direct naar cloud. De sensor kan rechtstreeks verbinding maken met de cloud via technologie als NB-IoT, LTE-M of LoRa. Deze technologieën zenden kilometers ver bij zeer laag vermogen, zolang de datasnelheid laag is. Zij maken verbinding met het internet via apparatuur die gewoonlijk in mobiele torens is geïnstalleerd. Ze werken ongeveer hetzelfde als mobiele telefoons, behalve dat de datasnelheid en het vermogen veel lager zijn. Er zijn maandelijkse kosten, maar die zijn doorgaans zeer gering.

Factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij de planning van een draadloze IoT-communicatiestrategie zijn onder meer: hoeveel gegevens zullen worden overgedragen, hoe ver de gegevensbron van het internet verwijderd is, hoeveel stroom nodig is, en hoe hoog de eventuele kosten voor de dienst zijn. Het wijdverbreide gebruik van smartphones en de keuze tussen Wi-Fi- of Bluetooth-radiostandaarden bieden een zeer gemakkelijke connectiviteit. Nieuwere normen, zoals NB-IoT en LTE-M, bieden meer mogelijkheden voor het toekomstige Internet of Things.

Waarom zijn nieuwe technologieën nodig?

Het IoT is nog volop in ontwikkeling. Met elke nieuwere versie wordt het stroomverbruik verlaagd, de draadloze communicatie langer en worden de functies verbeterd. Nieuwe toestellen kunnen gebruik maken van de nieuwe technologie en betere prestaties leveren.

Wat moet worden overwogen voor compromissen

Elke keer als Voler een draagbaar apparaat of een apparaat dat op batterijen werkt ontwerpt, eisen klanten dat het:

• Werk voor een lange tijd
• Veel gegevens over lange afstand verzenden
• Hebben een kleine batterij

Deze tegenstrijdige eisen moeten tegen elkaar worden afgewogen. Techniek gaat over afwegingen. De vereiste systeemfunctionaliteit in aanmerking nemen en de technische afwegingen maken die nodig zijn om optimale prestaties te leveren in overeenstemming met de systeemvereisten. Het is belangrijk om tegelijkertijd een bevredigende gebruikerservaring te bieden. Het resultaat is een ontwerp met de beste compromissen onder de vele keuzes.

Overwegingen inzake afweging

Voler werkte onlangs samen met een start-up om de batterijduur van hun verbonden product te verbeteren. Hij was gebaseerd op Murata's impModule™ met een Arm®-processor en Wi-Fi-zendontvanger. Zij hadden een batterijlevensduur van vele weken nodig, en dat was minder dan een week na prototyping. Voler heeft de code herzien om aan de vereiste levensduur van de batterij te voldoen. De originele code werkte niet zoals bedoeld.

Bij draadloze transmissie moeten drie zaken worden beheerd: het vermogen dat nodig is om te zenden, de datasnelheid en het zendbereik. De keuze van de juiste draadloze standaard is belangrijk. Raadpleeg de onderstaande tabel bij het selecteren van een draadloze standaard voor het te ontwerpen IoT-apparaat. De tabel bevat een lijst van de gangbare draadloze normen die worden gebruikt voor IoT-apparaten, samen met hun kenmerken.

Tabel 1: Gemeenschappelijke draadloze normen en hun mogelijkheden. (Bron tabel: Voler)

Verschillende draadloze normen vereisen zeer verschillende vermogensniveaus. Het vereiste vermogen hangt af van de datasnelheid en het bereik van de transmissie. Uit Tabel 1 blijkt bijvoorbeeld dat een toestel 120 mW vermogen nodig heeft om 100 bits per seconde een kilometer ver te zenden met LTE Cellular. Maar als Bluetooth LE wordt gebruikt om 1 meter te zenden, heeft een apparaat misschien maar 0,15 mW aan vermogen nodig.

Vergelijking van draadloze IoT-normen

Tabel 2: Een vergelijking van draadloze IoT-normen. (Bron tabel: Voler)

Stroomvereisten voor populaire draadloze opties

Als een apparaat alleen gegevens tot op 10 meter moet verzenden, zijn BLE en Bluetooth voldoende. Maar voor ivd-apparaten voor industriële en commerciële doeleinden, zoals inventarisbeheer of draagbare apparaten voor gezondheidsmonitoring, is wellicht communicatie met een groter bereik nodig, zoals NB-IoT of LTE-M. Als een apparaat veel gegevens verstuurt, zoals een videocamera, kan BLE dat niet aan. Keuzes met een hoog vermogen, zoals Wi-Fi en LTE, zijn vereist.

Anderzijds maken de cellulaire draadloze protocollen NB-IoT en LTE-M het mogelijk voor IoT-apparaten om met laag vermogen gegevens te verzenden naar verafgelegen locaties. Hetzelfde geldt voor SigFox, dat gegevens tot 50 kilometer ver kan verzenden. Maar in tegenstelling tot cellulaire normen met een hoge datasnelheid, kan SigFox slechts tot 300 bits gegevens per seconde verzenden.

Privé- vs. openbaar netwerk

Een particulier netwerk heeft een gateway die door een provider wordt geïnstalleerd en beheerd voor één of een beperkt aantal gebruikers. Een openbaar netwerk heeft een gateway die veel gebruikers kunnen gebruiken tegen betaling van een maandelijkse vergoeding. Een voorbeeld is cellulaire service.

Voor openbare netwerken moet infrastructuur worden geïnstalleerd, zoals zendmasten voor mobiele telefonie. Mobiele telefoons zijn populair en kunnen gemakkelijk zwerven door de wijdverspreide installatie van zendmasten. SigFox en LoRa hebben een beperkte infrastructuur in de VS, zodat een apparaat dat van deze technologie gebruik maakt op de meeste plaatsen niet zou werken. LoRa biedt wel de mogelijkheid van een privé-netwerk met behulp van een gateway.

In 2019 passeerde de installatie van infrastructuur voor NB-IoT en LTE-M het punt waarop 90% van de bevolking van de Verenigde Staten gedekt is. Het nadert de beschikbaarheid van cellulaire dekking. Hoewel deze technologie al jaren bestaat, kan zij nu eindelijk in nieuwe apparaten worden gebruikt. De infrastructuur is ook aanwezig in de meeste grote landen van de wereld. Verwacht een snelle toename van het gebruik van NB-IoT en LTE-M. Sigfox en LoRa lopen ver achter bij de installatie van openbare infrastructuur.

Hieronder volgt een overzicht van de particuliere en openbare draadloze opties:

Privé

• Beide uiteinden van de communicatie zijn privé bezit
• Het kan overal worden geïnstalleerd
• Niet-gelicentieerd spectrum
• Kosten voor de installatie van basisstations en eindpunten
• Geen maandelijkse kosten

Publiek

• Het netwerk dat eigendom is van de provider - bijvoorbeeld, cellulaire
• Werkt alleen waar basisstations zijn
• Gemakkelijke roaming
• Gelicentieerd spectrum
• Een maandelijkse vergoeding voor het gebruik van het netwerk

Wanneer zal de batterijtechnologie verbeteren?

Als de batterijen beter waren, zouden deze afwegingen eenvoudiger zijn. Opslag van chemische energie nadert de grens van zijn efficiëntie. Er wordt echter veel onderzoek gedaan naar hogere dichtheid en betere veiligheid.

Als batterijen zich in de afgelopen 50 jaar hadden ontwikkeld zoals halfgeleiders, zou je een batterij ter grootte van de kop van een speld hebben die een cent kost en je auto van energie voorziet. Onnodig te zeggen dat die technologie niet eens in de buurt komt en dat ook nooit zal worden. Daarom worden de apparaten beperkt door de ruimte die nodig is voor de chemische opslag van energie.

De batterijen van vandaag zijn ongeveer 10% van het ultieme in chemische energieopslag, wat zoiets zou zijn als benzine. Benzine heeft echter een probleem met de veiligheid. Een andere, efficiëntere optie is kernenergie, maar ook hier zou er een veiligheidsprobleem zijn, om nog maar te zwijgen van het probleem van de overdraagbaarheid. De batterijen zullen in de toekomst steeds beter worden, maar de veranderingen zullen traag verlopen.

Kostenoverwegingen

Veel fabrikanten van IoT-apparaten investeren te weinig in beveiliging om hun producten betaalbaar te houden en de time-to-market te versnellen. De integratie van beveiliging tijdens de ontwikkelingsfase kan de ontwikkeling aanzienlijk duurder en tijdrovender maken. Het bouwen van IoT-apparaten met een zwakke IoT-beveiliging kan echter leiden tot schadelijker gevolgen, niet alleen voor de klanten, maar ook voor het merk van de fabrikant - in termen van verloren productiviteit, boetes voor wetgeving/compliance, beschadigde reputatie en geldelijke verliezen.

De gekozen draadloze standaard voor IoT-apparaten kan de prestaties, bruikbaarheid, veiligheid en betrouwbaarheid ervan aanzienlijk beïnvloeden. Welke norm het meest geschikt is voor een IoT-apparaat hangt af van de toepassing. Kennis van het doel van het apparaat kan helpen bij het bepalen van de belangrijkste vereisten voor de bouw ervan, zoals hoeveel energie het nodig heeft om efficiënt te werken, hoe snel het gegevens moet verzenden en hoe lang de batterij mee moet gaan.

Het team van experts op het gebied van de ontwikkeling van IoT-apparaten van Voler System kan een ontwerper begeleiden bij het kiezen van de juiste draadloze standaard voor IoT-machines. Neem nu contact op met een IoT-expert voor meer informatie over het kiezen van de juiste draadloze standaard voor elk IoT-apparaatontwerp.