Магазин
Технологии интернета вещей (IoT) полностью изменили то, как мы общаемся и взаимодействуем в нашем цифровом мире! Сегодня беспроводные протоколы и стандарты связи играют огромную роль практически во всех аспектах развертывания IoT, от умных городов и подключенных транспортных средств до мониторинга окружающей среды и многого другого. По данным IoT Analytics, к концу 2024 года мировой рынок подключенных IoT-устройств может достичь 18.8 миллиардов единиц, что на 13% больше, чем в 2023 году. Между тем, по мере того, как количество подключенных устройств стремительно растет, возникает все большая потребность в надежных, масштабируемых и эффективных коммуникационных технологиях. В этой статье мы рассмотрим некоторые из наиболее широко используемых протоколов для связи в IoT. Надеюсь, вы получите более глубокое понимание ключевых решений для сетей IoT, прежде чем делать выбор.
Что Что такое IoT-сети?
Сетевое взаимодействие Интернета вещей (IoT) определяет, как устройства Интернета вещей взаимодействуют друг с другом и с центральными системами. Это создаёт автономную экосистему интеллектуальных устройств, работающих вместе.
Как правило, экосистема Интернета вещей состоит из четырёх основных слоёв: устройств, данных, технологий подключения и пользователей. Как видите, эти слои образуют строительные блоки сети Интернета вещей, а архитектура сети — это основа, обеспечивающая эффективное взаимодействие между всеми её элементами.
Неудивительно, что сети Интернета вещей (IoT) нуждаются в надёжной коммуникационной технологии, обеспечивающей бесперебойное соединение между устройствами. Эти сетевые протоколы выполняют ту же функцию, что и язык в человеческом общении. По сути, они разработаны специально для удовлетворения уникальных требований устройств Интернета вещей. Существуют особые требования к энергопотреблению, дальности действия, пропускной способности и плотности размещения устройств. Учитывая эти требования, выбор правильного протокола IoT является важным аспектом планирования проекта Интернета вещей.
В предыдущих статьях мы обсуждали некоторые сетевые протоколы и области их применения. Здесь мы перечислим некоторые широко используемые технологии беспроводной связи ближнего и дальнего радиуса действия для вашего проекта Интернета вещей.
Ключевые технологии сетей Интернета вещей ближнего радиуса действия
Технология беспроводной связи ближнего действия — это технология, обеспечивающая беспроводную передачу данных на короткие расстояния. Как правило, дальность передачи составляет от десятков до сотен метров. К распространенным примерам относятся Bluetooth, WiFi, Zigbee , UWB, NFC и RFID (подробного описания здесь нет).
Bluetooth и BLE
Bluetooth — одна из самых распространённых беспроводных технологий малого радиуса действия. Мы видим Bluetooth повсюду: от беспроводных наушников до автомобильных систем, умных часов и фитнес-трекеров.
Новейший стандарт Bluetooth — Bluetooth 6.0, выпущенный в сентябре 2024 года, который привнес новые функции, такие как определение канала Bluetooth. Однако в настоящее время широко используются стандарты Bluetooth 4.0, 5.0 и выше. Bluetooth 5.0 обеспечивает скорость передачи данных до 2 Мбит/с, тогда как Bluetooth 4.2 — до 1 Мбит/с.
Для решения проблемы низкого энергопотребления Bluetooth был разработан протокол Bluetooth Low Energy (BLE). Разработка этого протокола оказалась успешной и получила широкое распространение по всему миру. Одна из главных причин заключается в том, что он сохраняет совместимость с существующими устройствами Bluetooth, обеспечивая при этом значительно сниженное энергопотребление.
Необходимо понимать, что Bluetooth Low Energy специально разработан для маломощных устройств, используемых в Интернете вещей. Он не заменяет существующий классический Bluetooth. BLE использует тот же диапазон ISM 2.4 ГГц, что и Bluetooth. В отличие от классического Bluetooth, который поддерживает до 7 устройств, подключенных к одному ведущему устройству, BLE допускает подключение до 128 устройств. BLE использует 40 каналов шириной 2 МГц и алгоритм адаптивной перестройки частоты для оптимизации производительности и минимизации помех.
Wi-Fi
На долю Wi-Fi приходится 31% от общего числа подключений IoT. Здесь мы обсудим традиционный Wi-Fi, а также WiFi HaLow (802.11ah), специально разработанный для IoT-приложений с большим радиусом действия и низким энергопотреблением.
Wi-Fi 6 использует те же диапазоны ISM (2.4 ГГц и 5 ГГц), что и другие беспроводные протоколы, а в версии 6E добавлена поддержка диапазона 6 ГГц. Радиус действия значительно варьируется от 10 м в помещении до более 100 м на открытом воздухе в зависимости от условий окружающей среды и мощности передачи. В отличие от архитектуры Bluetooth «точка-точка», Wi-Fi использует топологию сети «звезда», где устройства подключаются через центральную точку доступа (маршрутизатор).
В настоящее время наиболее популярен стандарт Wi-Fi 6/6E (802.11ax), выпущенный в 2021 году. Что касается скорости, она достигает 9.6 Гбит/с — быстрее, чем Wi-Fi 5 (802.11ac), максимальная скорость которого составляла 3.5 Гбит/с. Вероятно, вы видели устройства, использующие более старые стандарты 802.11ac/n/g. Благодаря обратной совместимости Wi-Fi, эти старые устройства могут работать и с устройствами, использующими новые стандарты. Новейшие стандарты Wi-Fi обеспечивают больший радиус действия, чем старые.
Технология WiFi HaLow работает на частотах ниже 1 ГГц. Она обеспечивает лучшее проникновение сигнала сквозь стены и большую дальность действия (до 1 км) при меньшей мощности. Тем не менее, эта технология не получила широкого распространения в промышленности, в отличие от Bluetooth LE.
Важно отметить, что WiFi поддерживает сотни одновременных подключений к одной точке доступа, хотя практические ограничения часто уменьшают это число в зависимости от конфигурации сети.
ZigBee
ZigBee — это недорогой и энергоэффективный стандарт беспроводной связи, разработанный для персональных сетей. Он был специально разработан для промышленных приложений и систем домашней автоматизации. Возможно, ZigBee не так распространён, как Wi-Fi, но он становится всё более распространённым в умном доме, включая лампочки, термостаты и датчики безопасности.
Он появился в 2002 году, когда был сформирован Альянс ZigBee (ныне Альянс по стандартам связи). Сейчас в него входят такие крупные организации, как Philips, Texas Instruments, Samsung и Amazon, которые занимаются развитием протокола ZigBee.
Честно говоря, ZigBee был специально разработан для автоматизации, обеспечивая легкую настройку и подключение устройств, низкое энергопотребление для длительного срока службы батареи и очень высокий уровень безопасности.
Архитектура построена на основе стандарта 802.15.4. Главное преимущество ZigBee заключается в том, что это открытый протокол, способный поддерживать до 65,000 XNUMX узлов в одной сети. ZigBee особенно примечателен своими возможностями построения ячеистых сетей.
Протокол ZigBee определяет три основных типа устройств в сети:
- Координаторы (только один в любой сети ZigBee)
- Маршрутизаторы (посредники для передачи данных)
- Конечные устройства ZigBee (общаются только с родительским узлом, в основном в спящем режиме)
Основными поставщиками чипов ZigBee являются Texas Instruments и Silicon Labs.
UWB
UWB (сверхширокополосный) — один из новых протоколов связи. Вы, вероятно, ещё не видели его во многих устройствах, но он стремительно набирает популярность. От смартфонов и автомобильных ключей до устройств «умного дома» и промышленных установок — мы видим, как UWB всё чаще используется в современных технологиях.
Как и другие радиотехнологии, UWB работает в определённом спектре, но, в отличие от узкополосных систем, распространяет передачу в широком диапазоне частот от 3.1 ГГц до 10.6 ГГц. Типичная дальность передачи составляет от 1 до 50 метров, и она лучше всего работает в условиях прямой видимости между устройствами или опорными пунктами.
Сверхширокополосная связь использует каналы шириной не менее 500 МГц по сравнению с каналами Bluetooth шириной 1 или 2 МГц. UWB также использует передачу сверхкоротких импульсов, что обеспечивает более высокую точность позиционирования по сравнению с узкополосными системами.
Максимальная спектральная плотность мощности сверхширокополосной передачи составляет 41.3 дБм/МГц. Это соответствует средней мощности передачи около 0.5 мВт. Это помогает минимизировать помехи для существующих узкополосных систем, таких как Wi-Fi или Bluetooth. Низкая мощность также обеспечивает безопасность сверхширокополосной передачи. Сигналы сложно перехватить благодаря широкому диапазону частот и низкой плотности мощности.
Сравнение технологий сетей Интернета вещей ближнего радиуса действия
| Технология | Bluetooth (БЛЕ) | Wi-Fi | ZigBee | UWB |
| Диапазон | 10-100m | 50-100 м в помещении | 10-100m | 10m |
| Скорость передачи данных | 1-2 Мбит | До 1 Гбит/с+ | 250 Kbps | До 27 Мбит |
| потребляемая мощность | Очень Низкий | Высокий | Очень Низкий | Низкий |
| Диапазон частот | 2.4 GHz
|
2.4 ГГц, 5 ГГц | 2.4 GHz | 3.1-10.6 ГГц |
| Плюсы | - Низкое энергопотребление
– Широко поддерживается – Легко реализовать - Бюджетный |
– Высокая скорость передачи данных
– Универсальная совместимость – Надежные варианты безопасности |
- Низкое энергопотребление
– Поддержка большой сети – Самовосстанавливающаяся сетка |
– Точное позиционирование
- Высокая безопасность – Невосприимчивость к помехам |
| Минусы | – Ограниченный диапазон
– Ограниченные узлы – Потенциальные помехи |
– Высокое энергопотребление
- Ограниченное время автономной работы – Перегрузка сети |
– Низкая скорость передачи данных
– Короткая дистанция – Комплексная реализация |
– Ограниченный диапазон
– Более высокая стоимость – Ограниченное принятие |
| Ключевые приложения | Носимые устройства, умный дом, позиционирование в помещении, отслеживание активов, точки интереса | Домашняя автоматизация, потоковое видео, приложения с высокой пропускной способностью | Домашняя автоматизация, Промышленный контроль, Сенсорные сети | Позиционирование внутри помещения, отслеживание активов, безопасный доступ |
Популярные беспроводные технологии Интернета вещей дальнего радиуса действия
Теперь мы сосредоточимся на обсуждении технологий беспроводной связи дальнего радиуса действия и на том, как эти протоколы помогли Интернету вещей. Эти технологии лежат в основе сетей LPWAN, охватывающих расстояния от нескольких километров до тысяч километров. Здесь мы рассмотрим сети LoRa, Sigfox и сотовую связь.
ЛоРа и ЛоРаВАН
LoRa — это беспроводной протокол, обеспечивающий передачу данных на большие расстояния, с низким энергопотреблением и высокой безопасностью. Он основан на модуляции с расширенным спектром (chirp spread spectrum), что позволяет передавать данные на большие расстояния без чрезмерного потребления энергии. Он заполняет пробел между беспроводными локальными сетями ближнего радиуса действия, такими как Bluetooth и Wi-Fi, и гораздо большей дальностью действия сотовых сетей.
Технологии LoRa и LoRaWAN изначально были разработаны компанией Cycleo, а позже приобретены Semtech. Сегодня ими управляет некоммерческая ассоциация LoRa Alliance. Неудивительно, что она превратилась в один из крупнейших альянсов в технологической индустрии. LoRa Alliance не только поддерживает LoRaWAN, но и продвигает продукты LoRaWAN и обеспечивает совместимость технологий.
LoRa использует субгигагерцевые радиочастотные диапазоны (433 МГц, 868 МГц для Европы, 923 МГц для Азии, 915 МГц для Северной Америки и Австралии). Эти диапазоны частот ISM не требуют лицензирования и доступны всем для приложений Интернета вещей. Радиус действия впечатляет: от 2 до 5 км в городских условиях до 15 км и более в сельской местности.
LoRa представляет собой протокол физического уровня (первый уровень модели OSI), обеспечивающий связь на больших расстояниях. Этот уровень определяет, как необработанные биты передаются по физическому каналу связи между узлами сети. LoRaWAN, сетевой протокол, работающий на третьем уровне модели OSI, построен на основе LoRa и обеспечивает связь между конечными устройствами и центральным сетевым сервером.
Для решения различных задач LoRaWAN определяет три класса устройств: устройства класса A (минимальная мощность, инициируются все восходящие каналы), устройства класса B (запланированные слоты приема) и устройства класса C (непрерывное прослушивание).
Sigfox
Sigfox — это новаторская технология LPWAN, разработанная для приложений Интернета вещей, требующих связи на больших расстояниях с минимальным энергопотреблением. Она использует технологию сверхузкой полосы пропускания (UNB), при которой каждое сообщение занимает полосу пропускания всего 100 Гц.
Протокол Sigfox работает в нелицензируемых диапазонах ISM (868 МГц в Европе, 915 МГц в Северной Америке) и обеспечивает скорость передачи данных всего 100 или 600 бит/с. Такая низкая скорость передачи в сочетании с узкой полосой пропускания обеспечивает превосходную чувствительность и очень низкое энергопотребление. Обычно для передачи данных требуется ток около 20–30 мА в течение нескольких секунд, что обеспечивает длительное время работы от аккумулятора — зачастую годы на одном заряде. Дальность передачи данных может достигать 40 км в сельской местности и 3–10 км в городских условиях.
Sigfox — асимметричный протокол, что означает, что возможности восходящего и нисходящего каналов связи существенно различаются. Конечные устройства могут отправлять до 140 сообщений в день, при этом объём каждого сообщения ограничен 12 байтами. Сообщения нисходящего канала ограничены 8 сообщениями в день по 8 байт каждое.
В отличие от LoRaWAN, Sigfox был разработан с учётом простоты, перекладывая большую часть сложности на сетевую составляющую, а не на конечные устройства. Такой подход обеспечивает очень простую и энергоэффективную реализацию конечных устройств.
Сотовые сети
Сотовые сети обрабатывают невероятно большой объем наших коммуникаций и являются одной из самых фундаментальных коммуникационных технологий в современном мире. От 2G до новейшего 5G и специализированных технологий, ориентированных на Интернет вещей, таких как LTE-M и NB-IoT , на сотовые сети приходится около 20% глобальных подключений к Интернету вещей.
Сотовые сети работают по так называемой сотовой архитектуре, где географические области разделены на ячейки. Каждая ячейка обслуживается как минимум одним стационарным приемопередатчиком, известным как базовая станция. Эти ячейки работают вместе по сотовой схеме, обеспечивая непрерывное покрытие на больших территориях.
Эта технология прошла долгий путь с 1980-х годов, когда сети 1G едва справлялись с голосовыми вызовами. Мы действительно вступили в эпоху 5G (98.3 млрд долларов США в 2023 году) и сегодня разворачиваем NB-IoT, LTE-M и 5G как часть более широкой экосистемы сотового Интернета вещей. Одно из главных преимуществ сотового Интернета вещей — возможность использовать существующую сотовую инфраструктуру, оптимизируя её под уникальные потребности Интернета вещей. Важно отметить, что сотовые сети не бесплатны.
Сравнение технологий сетей Интернета вещей дальнего радиуса действия
| Технология | LoRa/LoRaWAN | Sigfox | Сотовая связь (4G/5G) | NB-IoT |
| Диапазон | 2-15km | До 40km | Несколько км | 1-10km |
| Скорость передачи данных | 0.3-50 Kbps | 100 bps | До 1 Гбит/с+ | 250 Kbps |
| потребляемая мощность | Очень Низкий | Очень Низкий | Высокий | Низкий |
| Диапазон частот | Суб-ГГц | Суб-ГГц | Лицензированные группы | Лицензированные группы |
| Плюсы | - Большая дальность
– Отличное время автономной работы – Хорошее проникновение |
– Сверхбольшая дальность
– Очень низкая мощность – Простое развертывание |
– Универсальное покрытие
- Высокая надежность – Высокая скорость передачи данных |
– Хорошее проникновение в здание
– Лицензионный спектр - Длительное время автономной работы |
| Минусы | – Низкая скорость передачи данных
– Зависимость от шлюза – Региональные ограничения |
– Крайне низкая скорость передачи данных
– Требуется подписка – Ограниченное количество сообщений в день |
– Высокое энергопотребление
- Дорогие – Ежемесячные платежи |
– Сетевая зависимость
– Более высокая задержка – Ограничения покрытия |
| Ключевые приложения | Отслеживание активов, управление парковкой, мониторинг окружающей среды, сельскохозяйственные датчики, интеллектуальные системы учета | Отслеживание активов, мониторинг окружающей среды | Подключенные автомобили, умные города, мобильные приложения | Интеллектуальный учет, отслеживание активов |
Что IoT nработа tехнологии подходит для меня?
Использование сетей Интернета вещей (IoT) имеет смысл, поскольку они позволяют подключать устройства и управлять ими в сложных условиях. В частности, сети Интернета вещей развиваются в мире, где всё более широко используются технологии, учитывая такие факторы, как масштабность, разнообразие типов устройств и требования к работе в режиме реального времени.
Выбор технологии подключения — одно из важнейших решений, которое вам предстоит принять при разработке проекта Интернета вещей. От этого решения во многом зависят успех, стоимость и производительность вашего проекта. Прежде чем углубляться в изучение конкретных технологий, задайте себе следующие важные вопросы:
– Где будут использоваться устройства? В помещении или на улице?
– Какой диапазон вам нужен? Это метры, километры или что-то среднее?
– Какой объем данных вы будете передавать и как часто?
– Какой у вас бюджет энергопотребления? Вы работаете от батареек или от сети?
– Какая сетевая инфраструктура имеется в месте вашего развертывания?
– Каковы ваши требования к безопасности?
– Каков ваш бюджет на оборудование и текущие расходы на подключение?
Технологии, которые мы рассмотрели выше, не являются исчерпывающим списком типов подключений, но они позволят вам приступить к работе над большинством проектов Интернета вещей.
Короткий-rангел tтехнологии в pпрактика
Для технологий беспроводной связи ближнего радиуса действия Wi-Fi обеспечивает высокоскоростную передачу данных. Он доминирует в зонах покрытия беспроводных сетей в домах и общественных местах. Поскольку во многих зданиях уже есть Wi-Fi, он идеально подходит для приложений IoT, таких как умные дома, камеры видеонаблюдения и интегрированные системы отслеживания.
В потребительском сегменте Bluetooth Low Energy демонстрирует явное доминирование. Он стал предпочтительным выбором для определения местоположения на коротких расстояниях из-за соображений стоимости. Рынок это подтверждает: объем поставок устройств с поддержкой Bluetooth Location Services в 2024 году достиг 255 миллионов долларов. BLE также активно развивается в сфере умного дома. С его включением в стандарт Matter мы увидим еще больше приложений для умного дома.
Zigbee — ещё один ключевой игрок, которого нельзя игнорировать в сфере умного дома. В настоящее время он чаще используется в промышленной автоматизации и приложениях для умного дома. Меш-сеть Zigbee позволяет увеличить дальность соединения и поддерживать больше сетевых узлов.
Технология UWB не получила такого же широкого распространения, как первые три. Ее главное преимущество — точность позиционирования на уровне сантиметров. Однако она сопряжена с более высокими относительными затратами на развертывание. Это делает ее более подходящей для специфических сценариев использования, требующих точного отслеживания местоположения.
Длинное–rангел tтехнологии в pпрактика
В сфере беспроводных технологий IoT дальнего действия лидирующие позиции занимают LoRa и LoRaWAN во многих проектах. Они обеспечивают впечатляющее покрытие при очень низком энергопотреблении. LoRaWAN отлично подходит для устройств, которым необходимо длительное время работать от батареи и которые могут выдерживать некоторую задержку при передаче данных. Эта технология широко используется в системах отслеживания животных, транспортных средств, управления парковками, мониторинга окружающей среды, сельскохозяйственного мониторинга и учета коммунальных услуг.
Sigfox имеет более оптимизированную конструкцию, чем LoRaWAN. Он разработан для снижения стоимости и сложности устройств, хотя это означает снижение скорости передачи данных. Хотя Sigfox и LoRaWAN иногда могут служить схожим целям, если вам нужны частные сети или двусторонняя связь, следует выбрать LoRaWAN.
Технологии NB-IoT и LTE-M обладают существенным преимуществом — они могут использовать существующую сотовую инфраструктуру. Эти технологии пересекаются с некоторыми приложениями LoRaWAN и Sigfox, особенно при отслеживании активов на больших географических территориях. В логистическом секторе особенно активно используются решения для отслеживания на основе сотовой связи. Однако варианты с использованием сотовой связи сопряжены с более высокими затратами из-за абонентской платы.
Приобретите устройства Интернета вещей от MOKOSmart
MOKOSmart предлагает комплексные решения для Интернета вещей на базе аппаратного обеспечения с использованием BLE, RFID, LoRaWAN, WiFi, NB-IoT и UWB. В нашем портфолио представлены маяки , трекеры , датчики , шлюзы и модули для различных целей. Вся продукция протестирована и сертифицирована, возможны варианты индивидуальной настройки. Нужен IoT-решение уже сегодня? Свяжитесь с нами прямо сейчас!
