Microchip Technology Inc
Avtor: R. Beddor
2020_284_27
Če berete ta članek v spletu, ste verjetno z Internetom povezani prek mobilne telefonije, Wi-Fi ali Ethernet povezave. Čeprav so te metode povezovanja široko razširjene v potrošniški elektroniki, obrobna vozlišča interneta stvari (IoT) niso tako tesno povezane z njim. Za razliko od potrošnikov večina robnih naprav ne preverja e-pošte (imajo srečo!) ali se ukvarja s pretočnimi vsebinami, zato ne zahtevajo visokih hitrosti prenosa podatkov, ki se sicer uporabljajo za komunikacije v potrošniški elektroniki.
IoT rešitve so pogosto sestavljene iz več sto ali tisoč povezanih obrobnih naprav. Tipične konstrukcijske omejitve, kot sta cena in upravljanje s porabo energije se močno povečajo, ko je dodanih več obrobnih naprav. V tem obsegu je lahko način povezave vašega izdelka z Internetom ključni dejavnik pri tem, ali bo povezava uspešna ali ne.
V tem vodniku o tem boste našli pregled najpogostejših vrst povezav, ki se uporabljajo v IoT aplikacijah. Preberite in pretehtajte vse svoje možnosti, ter ugotovite, kako bi želeli sami svoj IoT izdelek povezati z Internetom.
Ethernet
Ethernet je hiter in zanesljiv način povezave stvari z internetom. Ethernet je običajno osnova za komunikacijo in povezovanje v industrijski avtomatizaciji in avtomatizaciji zgradb, v sistemih, ki jih sestavlja veliko vozlišč v istem omrežju.
Ker je Ethernet fizična povezava prek žic, je to tudi sam po sebi zelo varen način povezovanja. Poleg tega ponuja tudi možnost napajanja priključenih naprav prek omrežnega kabla na način Power Over Ethernet (PoE), kar odpravlja potrebo po ločenem napajalniku za vsako priključeno vozlišče.
Vendar pa lahko sama napeljava, ožičenje nekega območja, včasih predstavlja velik izziv in zagotovo ni smiselna v čisto vseh primerih. Vozlišča, ki jih povezuje Ethernet, morajo biti blizu usmerjevalnika. Tudi v aplikacijah na kratke razdalje, kot so avtomatizacija doma in stavb, je opremljanje in zagotavljanje dostopa z Ethernet kabli tako obsežen projekt, da že upravljanje s povezavami in polaganje vseh kablov na čim bolj prikrit način predstavljata velik izziv. V sodobnih stavbah so avtomatizirani svetlobni sistemi ožičeni že med samo gradnjo, namestitev sistema Ethernet IoT v zgradbo, ki ni zasnovana v ta namen, pa pogosto sploh ni izvedljiva.
Wi-Fi®
Kot našem iskanju primerne internetne povezave je brezžična narava Wi-Fi neverjetno privlačna. Na splošno ga podpirajo vse najpomembnejše naprave široke potrošnje in se ne omejuje le na ožičeni Ethernet.
Kljub razširjenosti pa je dodajanje Wi-Fi možnosti nekemu ugnezdenemu projektu običajno zapleteno. Wi-Fi je privlačen, saj je brezžičen in hiter, vendar te funkcije dobimo le na račun varnostnih ranljivosti in porabe energije. Kot rezultat tega, IoT-zasnove na osnovi Wi-Fi zahtevajo, da inženirji pri načrtovanju pazljivo pretehtajo potrebo po varnosti, porabo energije in ceno te oblike povezave.
Na srečo pa danes obstajajo rešitve, ki inženirjem pomagajo premagati te ovire. Uporaba Wi-Fi modula, optimiziranega za IoT, bo poenostavila načrtovanje vašega izdelka in skrajšala čas razvoja. Moduli, kot je WINC1500, to preverjeno potrjujejo, saj podpirajo varnostne protokole in so optimizirani za naprave z baterijskim napajanjem, kar izdelkom omogoča Wi-Fi povezavo brez visokih stroškov in visoke porabe energije.
Široko razprostrto omrežje z majhno porabo energije (LPWAN)
LPWAN oblika komunikacije je v potrošniških izdelkih manj pogosta, zato jih morda niti ne poznate. Precejšen del IoT aplikacij pa uporablja to komunikacijo v široko razprostrtih aplikacijah, kot je na primer spremljanje okoljskih parametrov.
Lepota uporabe IoT za spremljanje okolja je, da lahko spremljamo tudi podeželska, obalna in sicer težko dostopna območja. Težava pri tem pa je, da so te lokacije podeželske, obalne in na splošno težko dostopne. Naprave, ki je nameščena v Marianskem kanalu (do 10984 metrov pod morsko gladino), ne morete kar na hitro napolniti ali povezati z Wi-Fi omrežjem v puščavi Mojave.
Dosegi pri običajni uporabi LPWAN se gibljejo okrog 10 kilometrov. Podatki se sicer prenašajo pri zelo nizkih hitrostih, vendar, če vaša IoT aplikacija ne preverja elektronske pošte in ne uporablja pretakanja multimedijskih vsebin, verjetno tudi ne boste potrebovali prav visokih hitrosti povezave.
LPWAN se sicer pogosto uporablja v kmetijskih in oddaljenih aplikacijah, ni pa to edino področje kjer jih je mogoče uporabiti. Rast urbane uporabe je vse večja in ena največjih komercialnih namestitev IoT v LPWAN omrežju, ki se nahaja v Severni Ameriki, se uporablja za sledenje vozil na dražbenih parkiriščih.
Obstajata dva uveljavljena protokola LPWAN: LoRaWAN ™ (izvira iz “dolgega dosega”, Long Range ali LoRa®) in Sigfox. Edina razlika med obema je strošek. Sigfox je naročniška storitev in deluje podobno kot mobilne storitve. Če je na vašem območju Sigfox na voljo, se lahko prek naročnine povežete z lokalnim ponudnikom. Z LoRaWAN se lahko razvijalci izognejo naročnini z ustvarjanjem omrežja “naredi sam”, vendar se večina še vedno odloča za uporabo prehodne infrastrukture LoRa lokalnega omrežja in plačilo pristojbine za uporabo.
Mobilni dostop
Poleg izrazito podeželskih in odročnih območij je mobilna dostopnost prisotna na vsem svetu. Za ugnezdene sisteme, ki za komunikacijo potrebujejo to območje, je mobilna dostopnost edina možnost. Vendar je treba priznati, da takšen dostop ni poceni. Morate imeti izbranega ponudnika teh storitev in ne smete (ne morete) vzpostaviti lastnega omrežja brez odobritve pristojnih služb. Stroški vgrajenih komponent in naročnin ponudnikov za vsako vozlišče pogosto ne odtehtajo prednosti širokega dosega mobilnih omrežij.
Kljub temu je pomembno razlikovati mobilno omrežje, ki se uporablja za povezovanje Interneta stvari in račun, ki ga enkrat na mesec plačate za svoj telefon. Specifična mobilna omrežja IoT se pojavljajo zato, da tekmujejo z LPWAN omrežji. Rastoče mobilno omrežje IoT je LTE CAT-M. M pomeni “stroj”, pomeni pa nižjo hitrost prenosa, nižje stroške, možnost nižje moči in s tem porabe energije, skratka, omrežje je optimizirano za IoT. Čeprav je vaš mesečni račun za mobilno telefonijo lahko velik, ponuja shema CAT-M le približno 7 USD na mesec za prenos 5 MB podatkov. Druge možnosti za mobilne IoT povezave so CAT-0, CAT-1 in novejši NB-IoT (NB “Narrow Band”, ozkopasovni).
Ko se bo pojavila 5G mobilna telefonija lahko pričakujemo, da bo to spodbudilo inovacije v IoT. Večje hitrosti 5G bi lahko omogočile večji napredek pri vrhunskih IoT aplikacijah, kot so na primer avtonomna vozila, čeprav seveda za višjo ceno kot pri IoT-specializiranih omrežjih. Pokritost s 5G seveda niti približno ni tako razširjena kot LTE ali 3G, vendar se vztrajno širi. Nekateri analitiki v industriji napovedujejo, da bo rast 5G omrežja v naslednjih petih letih dalo možnost uporabe do 20 odstotkom svetovnega prebivalstva.
Satelit
Pokritost z mobilnim signalom in dostopnostjo morda res pokriva večino poseljenega sveta, toda kaj storiti, če želite povezati stvari na razprostranjenih, opuščenih območjih?
Satelitska povezava se uporablja za IoT aplikacije, kot so ladijska logistika na nedostopnih območjih Zemlje, ki jih mobilne storitve ne pokrivajo. Čeprav lahko pričakujemo, da se bo z razvojem tehnologije satelitske komunikacije to sčasoma spremenilo, v tem trenutku razvoj satelitske IoT aplikacije ni tako dostopen kot druge možnosti povezovanja. Mnoge satelitske konstalacije so rezervirane za uporabo v obrambne (vojaške!) namene, module pa vseeno lahko kupite pri Iridium® in ORBCOMM®.
Bluetooth®
Bluetooth povezavo verjetno tudi že poznate. Bluetooth Classic in Bluetooth Low Energy (BLE) imata največji doseg prek 100 metrov, vendar se običajno uporabljata za naprave, ki so med seboj oddaljene le nekaj metrov. V vsakdanjem življenju vidimo Bluetooth v dodatkih za telefon in osebni računalnik – slušalke, tipkovnice in najrazličnejše tehnologije prikazovanja.
Bluetooth komunikacija je odlična za vgradno v potrošniško elektroniko, saj ima majhno porabo (BLE ima izjemno nizko porabo), je široko podprta in se hitro povezuje.
Za razliko od Wi-Fi, pa se Bluetooth ne povezuje neposredno z internetom. Za povezavo z internetom boste morali postaviti komunikacijski prehod. Čeprav se vzpostavljanje lastnega prehoda morda zdi zastrašujoče, je pogosto prav tako enostavno kot povezovanje z mobilno napravo, ki se povezuje tudi z Wi-Fi.
Bluetooth 5.0 je nedavna posodobitev, ki širi obseg Bluetooth tako, tako da ga je mogoče uporabljati v domačih, recimo hišnih omrežjih. Medtem ko se Bluetooth Classic in Bluetooth LE običajno uporabljata za povezavo naprav, ki so na razdalji le nekaj metrov, lahko s sistemom Bluetooth 5.0 povežete celoten dom. Ta razširjena ponudba daje Bluetooth komunikaciji vstop v področje avtomatizacije doma, razsvetljave in industrijskih aplikacij.
Priporočila
Opisani načini povezovanja se med sabo razlikujejo, vendar je najpomembnejša razlika enostavnost izvedbe. Običajno uporabljena omrežja, kot sta Wi-Fi in Bluetooth, so pogosto najlažji način za presojo in raziskovanje v smeri IoT naprav. Ta omrežja tudi ne zahtevajo, da zgradite svoj prehod ali plačate ponudnika storitev.
Potrošnikom je na voljo večje število različnih Wi-Fi in Bluetooth modulov za izdelavo prototipov, mnogi ponujajo tudi odprto programsko kodo in navodila za programiranje. Uporaba povezovalnih modulov je priporočljiva, ker to naredi načrtovanje bolj prilagodljivo. Če bi se zgodilo, da bi bilo potrebno komunikacijo naprave prilagoditi drugemu omrežju, lahko modul preprosto zamenjate, namesto, da bi ponovno začeli načrtovati iz nič.
Olajšanje postopka načrtovanja
Povezovanje z internetom je le ena sestavina IoT zasnove. IoT sistemi morajo namreč imeti s kljukico označena tri polja: pameten, povezan in varen.
To pa hkrati pomeni tri električne komponente: mikrokontroler (MCU), povezovalni modul in varnostni element. Izziv načrtovanja IoT naprav izvira iz združevanja teh treh komponent.
Microchipova razvojna ploščica AVR-IoT WG je primer racionalizirane Wi-Fi razvojne platforme. Plošča je predhodno konfigurirana za varno povezavo s IoT platformo Google Cloud. Z varnostnim elementom, Wi-Fi krmilnikom in mikrokontrolerjem, vse skupaj vgrajeno na eni plošči, lahko preskočite večino mučnega dela z načrtovanjem iz nič in se takoj lotite najpomembnejšega: vaše inovacije in čim hitrejšega trženja vašega IoT izdelka.
Arduino Uno WiFi Rev 2 prav tako ponuja pametne, povezane in varne elemente. Arduino na svojih spletnih straneh gosti tudi aktivno skupnost za izdelavo prototipov, na voljo pa so tudi številne vadnice in odprta programska koda.
MikroElektronika click boards™ so moduli za hitro prototipiranje, ki se povežejo neposredno na razvojno ploščo AVR-IoT WG ali prek dodatka za Arduino Uno WiFi Rev 2. Na voljo je več ploščic za povezavo, vključno z različnimi moduli LoRa in Bluetooth in te ploščice ponujajo odličen način za dodajanje povezljivosti v vaš IoT izdelek, ki ga načrtujete med fazo prototipiranja.
Z uporabnikom prijaznimi orodji, kot sta Arduino in razvojna plošča AVR-IoT WG gradnja IoT naprav ni bila še nikoli bolj dostopna. Ne glede na to, ali ste po poklicu razvijalec ugnezdenih sistemov, se z elektroniko ljubiteljsko ukvarjate ali ste preprosto radoveden privrženec bloga o elektroniki, ste danes s temi orodji in moduli sposobni zgraditi IoT omrežje. Ta močna dostopnost, skupaj z vedno bolj povezanim svetom zagotavlja, da bo povezljivost še naprej poganjala napredek brez primere.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
