סקירה כללית של טכנולוגיית אלחוט עבור IoT‏

האינטרנט של הדברים (IoT) הוא גם ידוע וגם בלתי-ידוע בעולם המודרני. זהו מונח נפוץ עבור אנשים בתעשיית הטכנולוגיה ובעולם התאגידי, אך רק לעתים רחוקות הוא נשמע על ידי האוכלוסייה הכללית למרות שזה חלק מחיי היום-יום שלהם. IoT הוא חיבוריות של אובייקטים פיזיים כגון התקנים, רכבים, מבנים, אלקטרוניקה ורשתות המאפשרת להם אינטראקציה, איסוף והחלפת נתונים. זה חל על מיליוני דברים שונים, כולל מוצרים מסורתיים מעודכנים שקודם לכן לא היו מחוברים לאינטרנט.

מאמר זה יבדוק את הדרכים הרבות שבהן התקנים אלה יכולים לתקשר באופן אלחוטי.

שלוש דרכים להעביר נתונים לענן

אתגר אחד של IoT הוא להעביר נתונים מחיישן ההתקן אל הענן, שם משתמשים, מעבדים ומאחסנים את הנתונים. השימוש הנפוץ ב- Wi-Fi וב- Bluetooth דרך הסמארטפונים, ביחד עם הזמינות הנרחבת של מגדלי סלולר ונקודות גישה ציבוריות של Wi-Fi, מספק גישה לענן עבור חיישני IoT יותר מאי-פעם. ישנן שלוש דרכים בסיסיות להעביר נתונים לענן.

מהחיישן לשער וממנו לענן. ביישומים מסוימים, הדרך האופטימלית היא לשלוח את נתוני החיישן לשער (Gateway) אשר משדר את הנתונים לענן בצורה יעילה. בהתאם לצורכי היישום, השער יכול להיות ממערכות ממסר פשוטות ועד לפלטפורמות "חכמות" המבצעות פונקציות יותר עתירות-מיחשוב הנקראות "עיבוד קצה". התקנים כמו חיישני חניה ושולחניים מסתמכים בדרך כלל על שערים להעברת הנתונים. Wi-Fi הוא דוגמה לשער. עבור שימוש ביתי, עליכם להתקין שער Wi-Fi. במקומות ציבוריים שבהם השער כבר מותקן, ה- Wi-Fi פועל ישירות אל הענן. סוגים אחרים של תקשורת אלחוטית, כגון Bluetooth, דורשים שער. דוגמה לאינטרנט אלחוטי בבית הוא Hatch Baby Grow‏, משטח חיתול חכם לתינוקות אליו מחובר משקל. הוא משתמש ב- Wi-Fi כדי לשדר נתונים מהמשקל שבמשטח החיתול לאינטרנט הביתי. ההורים ורופא הילדים יכולים לעקוב אחר המידע המאוחסן בענן באמצעות אפליקציית Android או iOS.

מהחיישן לטלפון הסלולרי וממנו לענן. במקרים מסוימים, השער יכול להיות טלפון סלולרי. סמארטפונים עם יכולת Wi-Fi או Bluetooth פועלים כשערים לשליחת נתונים לענן. לדוגמה, חברת Voler עזרה בפיתוח אוזניות כפתור המנטרות יציבה מאוזנת אצל קשישים. יש להם שידור אלחוטי Bluetooth LE לסמארטפון שבו יש אפליקציה קשורה. הנתונים נשלחים לענן גם מהסמארטפון שם ניתן לבצע עיבוד נוסף ולשיתוף נתונים.

מההתקן החכם ישירות לענן. החיישן יכול להתחבר ישירות לענן באמצעות טכנולוגיה כמו NB-IoT, LTE-M או LoRa. טכנולוגיות אלה משדרות למרחק של קילומטרים בהספק נמוך ביותר, כל עוד קצב הנתונים נמוך. הם מתחברים לאינטרנט באמצעות ציוד המותקן בדרך כלל במגדלים סלולריים. הם עובדים בערך באותו אופן שבו הטלפונים הסלולריים פועלים למעט קצב הנתונים וההספק שהם נמוכים בהרבה. יש חיוב חודשי, אך בדרך כלל הוא קטן מאוד.

גורמים שיש לקחת בחשבון בתכנון אסטרטגיית תקשורת אלחוטית של IoT כוללים: כמה נתונים ישודרו, כמה רחוק מקור הנתונים מהאינטרנט, כמה הספק נדרש ומה עלות השירות, אם בכלל. השימוש הנרחב בסמארטפונים והבחירה בתקני רדיו Wi-Fi או Bluetooth‏ מציעים חיבוריות נוחה ביותר. תקנים חדשים יותר, כגון NB-IoT ו- LTE-M, פותחים אפשרויות נוספות לאינטרנט של דברים עתידי.

מדוע יש צורך בטכנולוגיות חדשות?

ה- IoT עדיין מתפתח. עם כל מחזור פיתוח מגיעה צריכת הספק נמוכה יותר, תקשורת אלחוטית רחוקה יותר ומאפיינים טובים יותר. התקנים חדשים יכולים לנצל את הטכנולוגיה החדשה ולספק ביצועים טובים יותר.

מה יש לשקול עבור פשרות

בכל פעם שחברת Voler מתכננת התקן לביש או התקן מוזן-סוללות, הלקוחות דורשים שהוא:

• יפעל במשך זמן ארוך ככל האפשר
• ישדר הרבה נתונים למרחק גדול
• תהיה לו סוללה זעירה

דרישות מתחרות אלו מחייבות פשרות. הנדסה היא הכול אודות פשרות. בחנו את פונקציונליות המערכת הנדרשת והחליטו על הפשרות ההנדסיות הנחוצות כדי לספק ביצועים אופטימליים בהתאם לדרישות המערכת. חשוב להעניק בו-זמנית חווית משתמש משביעת רצון. התוצאה היא תכן עם הפשרות הטובות ביותר מבין אפשרויות רבות.

שיקולי הפשרות

חברת Voler עבדה לאחרונה עם סטארט-אפ לשיפור חיי הסוללה של המוצר המחובר שלהם. השיפור מבוסס על ה- ™impModule‏ מבית Murata עם מעבד ®ARM‏ ומקמ"ש Wi-Fi. הם נזקקו לחיי סוללה של שבועות רבים, בעוד שהם היו פחות משבוע לאחר שלב בניית האב-טיפוס. חברת Voler עדכנה את הקוד כדי לעמוד באורך חיי הסוללה הנדרש. הקוד המקורי לא עבד כפי שתוכנן.

בשידור אלחוטי יש לנהל שלושה דברים: הספק השידור הנדרש, קצב הנתונים וטווח השידור. בחירת תקן האלחוט הנכון היא חשובה. עיינו בטבלה שלהלן לבחירת תקן האלחוט עבור התקן ה- IoT המתוכנן. הטבלה מפרטת את תקני האלחוט הנפוצים המשמשים עבור התקני IoT‏, ביחד עם מאפייניהם.

טבלה 1: תקני אלחוט נפוצים ויכולותיהם. (מקור הטבלה: Voler)

תקני אלחוט שונים דורשים רמות הספק שונות ביותר. ההספק הנדרש תלוי בקצב הנתונים ובטווח השידור. לדוגמה, בהתייחס לטבלה 1, התקן עשוי לדרוש mW‏ 120 של הספק כדי להעביר 100 ביטים של נתונים לשנייה למרחק של קילומטר אחד באמצעות LTE Cellular. אך באמצעות Bluetooth LE לשידור למרחק של מטר אחד, ייתכן שהתקן יצטרך הספק של mW‏ 0.15 בלבד.

השוואה בין תקני אלחוט עבור IoT‏

טבלה 2‏: השוואה בין תקני אלחוט עבור IoT‏. (מקור הטבלה: Voler)

דרישות הספק עבור אפשרויות אלחוט נפוצות

אם התקן נדרש רק לשדר נתונים למרחק של עד 10 מטרים, מספיקים BLE ו- Bluetooth. אך התקני IoT למטרות תעשייתיות ומסחריות כגון ניהול מלאי או התקנים לבישים עבור ניטור בריאות עשויים לדרוש תקשורת ארוכת טווח יותר, כגון NB-IoT או LTE-M. אם התקן שולח הרבה נתונים, כגון מצלמת וידאו, BLE לא יכול להתמודד עם זה. יש לבחור אפשרויות הספק גבוה כגון Wi-Fi ו- LTE.

מצד שני, פרוטוקולי האלחוט הסלולריים NB-IoT ו- LTE-M מאפשרים להתקני IoT לשדר נתונים למקומות מרוחקים בהספק נמוך. הדבר נכון גם לגבי SigFox שיכול לשדר נתונים למרחק של עד 50 ק"מ. אך בניגוד לתקני סלולר עם קצב נתונים גבוה, SigFox יכול לשדר רק עד 300 ביטים של נתונים לשנייה.

רשת פרטית מול ציבורית

ברשת פרטית יש שער (Gateway) המותקן ומבוקר על ידי ספק תקשורת עבור משתמש אחד או מספר מוגבל של משתמשים.  ברשת ציבורית יש שער שמשתמשים רבים יכולים להשתמש בו באמצעות תשלום חודשי. דוגמה לכך היא שירות הסלולר.

רשתות ציבוריות דורשות התקנת תשתית, כמו מגדלי סלולר. טלפונים סלולריים הם נפוצים ויכולים לנדוד בקלות הודות להתקנה הנרחבת של מגדלי סלולר. ל- SigFox ו- LoRa יש תשתית מוגבלת בארה"ב, ולכן התקן המשתמש בטכנולוגיה זו לא יעבוד ברוב המקומות. ל- LoRa יש אפשרות לרשת פרטית המשתמשת בשער.

בשנת 2019 התקנת התשתית עבור NB-IoT ו- LTE-M עברה את הנקודה בה 90% מאוכלוסיית ארצות הברית מכוסה. זה מתקרב לזמינות הכיסוי הסלולרי. למרות שהיא קיימת כבר שנים, סוף-סוף ניתן להשתמש בטכנולוגיה זו בהתקנים חדשים. התשתית כבר קיימת גם ברוב המדינות הגדולות בעולם. ניתן לצפות לגידול מהיר בשימוש ב- NB-IoT ו- LTE-M. Sigfox ו- LoRa נמצאים הרחק מאחור בהתקנת תשתית ציבורית.

להלן סיכום אפשרויות האלחוט הפרטיות והציבוריות:

רשת פרטית

• שתי קצוות התקשורת הן בבעלות פרטית
• ניתן להתקין אותה בכל מקום
• הספקטרום הוא ללא-רישיון
• ישנה עלות להתקנת תחנות-בסיס ונקודות-קצה
• אין תשלום חודשי

רשת ציבורית

• הרשת היא בבעלות ספק התקשורת - למשל סלולר
• עובדת רק היכן שקיימות תחנות-בסיס
• נדידה קלה
• הספקטרום הוא עם-רישיון
• תשלום חודשי עבור השימוש ברשת

מתי תשתפר טכנולוגיית הסוללות?

אם הסוללות היו טובות יותר, הפשרות הללו היו פשוטות יותר. אגירת אנרגיה כימית מתקרבת לגבול הנצילות שלה. עם זאת, מחקרים רבים נעשים על צפיפות גבוהה יותר ובטיחות טובה יותר.

אם הסוללות היו מתקדמות כמו המוליכים-למחצה במהלך 50 השנים האחרונות, הייתה לכם סוללה בגודל ראש של סיכה שתעלה אגורה ותניע את המכונית שלכם. למותר לציין שהטכנולוגיה אפילו רחוקה מלהתקרב לכך ולעולם לא תהיה. לכן, ההתקנים מוגבלים על ידי השטח הנדרש עבור אגירה כימית של אנרגיה.

הסוללות של היום הן כ- 10% מהמקסימום של אגירת אנרגיה כימית, וזה יהיה משהו כמו בנזין. עם זאת, לבנזין יש בעיה עם הבטיחות. אפשרות יעילה יותר היא אנרגיה גרעינית, אך שוב תהיה בעיה בטיחותית שלא לדבר על בעיית ניידות. בעתיד יהיו שיפורים אינקרמנטליים בסוללות, אך השינויים יהיו איטיים.

שיקולי העלות

יצרני התקני IoT רבים משקיעים פחות מדי באבטחה כדי לשמור את המוצרים שלהם במחירים סבירים ולהאיץ את זמן היציאה לשוק. שילוב האבטחה במהלך הפיתוח יכול להוסיף משמעותית לעלות ולזמן הפיתוח. עם זאת, בניית התקני IoT עם אבטחת IoT‏ חלשה עלולה לגרום לתוצאות מזיקות יותר לא רק ללקוחות, אלא גם למותג היצרן - במונחים של אובדן פרודוקטיביות, קנסות משפטיים/תאימות, פגיעה במוניטין והפסדים כספיים.

תקן האלחוט הנבחר עבור התקני IoT יכול להשפיע משמעותית על הביצועים, השימושיות, האבטחה והאמינות שלו. התקן המתאים ביותר עבור התקן IoT תלוי ביישום שלו. ידיעת מטרת ההתקן יכולה לסייע בקביעת הדרישות העיקריות לבנייתו, כגון לכמה הספק הוא זקוק כדי לפעול ביעילות, כמה מהר עליו לשדר נתונים ולמשך כמה זמן הסוללה צריכה להחזיק מעמד.

צוות המומחים לפיתוח התקני IoT של חברת Voler System‏ יכול להנחות את המתכננים בבחירת התקן האלחוט המתאים עבור מכונות IoT‏. פנו עכשיו למומחה ה- IoT כדי ללמוד עוד על בחירת התקן האלחוט המתאים עבור כל תכן של התקן IoT‏.