Інтернет речей (IoT) - це безліч мережевих інтелектуальних пристроїв, які мають спільне, що дані їх датчиків збираються та обробляються серверами додатків для хмарної служби за допомогою модулів зв'язку. Незалежно від того, є це пристрій розумним годинником, браслетом (який можна носити), який контролює функції організму в оздоровчих або спортивних цілях, сільськогосподарським датчиком, що вимірює вологість грунту або зовнішню температуру, або вологість повітря, розумним лічильником, який може повідомляти про своє місце, інтелектуальний магазин холодильника або полиці, здатний реєструвати втрати пропонованих товарів, домашню сигналізацію, систему спостереження для літніх людей або пожежну сигналізацію - у кожному випадку необхідно використовувати якусь технологію бездротового зв'язку. Як повинна виглядати ця економічно життєздатна, технічно обґрунтована, стандартна мережа? Більшість людей у світі IoT сьогодні шукають відповіді на це питання.
Якщо короткі відстані потрібно подолати за допомогою дротів або радіохвиль, можна використовувати локальні мережі LAN, WiFi або інші рішення WLAN, такі як Bluetooth, ZigBee або інші технології ближнього поля (RFID), доки заряд акумулятора не буде обмежити їх використання. Однак для більших відстаней вам уже потрібно скористатися якоюсь універсальною послугою мережі, наприклад LoRaWAN або мережею мобільних телефонів. Якщо дані потрібно доставити на сервери баз даних хмарних провайдерів, а потім обробити та візуалізувати за допомогою Інтернет-програми, очевидна передача даних на основі TCP/IP або UDP, і, мабуть, найкраще рішення забезпечують існуючі стільникові мобільні мережі . Однак, на жаль, ця класична технологія повільно досягає своїх меж, і кількість кінцевих точок (розумних пристроїв), що обслуговуються мобільними стільниками, не може бути суттєво збільшена. Крім того, низькі потреби в передачі даних таких пристроїв можуть задовольнити лише послуги, що надаються сучасними мобільними широкосмуговими мережами (GPRS, UMTS або LTE), залучаючи занадто дорогі та непотрібні ресурси, що заважає довгоочікуваному та прогнозованому IoT/M2M революція.
Сьогодні інтелектуальні пристрої вимагають легкодоступної стандартної радіопередачі даних, яка забезпечує ідеальне співвідношення відповідної пропускної здатності та вартості.
Однією з можливих технологічних відповідей провідних операторів мобільного зв’язку на цей виклик у сфері мереж низької потужності та широкосмугових мереж LPWAN (широкополосна мережа низької потужності) для передачі даних від машини до машини (M2M) є вузькосмуговий IoT (NB-IoT). ) стандарт (LTE Cat- NB1).
Існує низка інших технологій у цій галузі, але вони не в першу чергу оптимізовані для рідкісної передачі невеликих обсягів даних, і хоча вони, як правило, мають прекрасне покриття на відкритому повітрі, їх можливості прийому в приміщенні суворо обмежені. Комерційно доступні модулі, як правило, підтримують більшість послуг, пропонованих мережами 3G/4G, що взагалі не потрібно для додатків IoT. Окрім того, що апаратне забезпечення дорожче, воно також споживає додаткову потужність і значно скорочує час автономної роботи. Важливою особливістю мобільних мереж є висока ступінь масштабованості, оператори мобільних мереж можуть управляти власною пропускною спроможністю в існуючій мережі LTE. Такі захищені технології, як SigFox і LoRa, вимагають власних шлюзів і локальних мереж, якими керують різні компанії в різних країнах, тому операторам мереж доводиться мати справу з унікальними характеристиками. Їм безпечніше та зручніше працювати на існуючій платформі LTE.
NB-IoT базується на технології LTE, але деякі послуги, які не відповідають потребам LPWA, відсутні в його специфікації, тому він може запропонувати переваги, яких інші технології, такі як GPRS/UMTS/LTE, можуть досягти лише за значних витрат. NB-IoT служить продовженням поточного стандарту LTE, а також LTE-CAT-M1 (LTE-CAT-M1), розробленого для зв'язку M2M, який вимагає більш серйозної передачі даних. Завдяки значно збільшеній смузі пропускання, остання вимагає значно більшої смуги пропускання спектру та більш складних, отже, більш дорогих радіомодулів.
NB-IoT використовує існуючу інфраструктуру мережі LTE (базові станції, антени, дозволений спектр). Дозволені діапазони можуть обробляти величезну кількість пристроїв, тоді як в діапазонах ISM, оскільки кількість підключених пристроїв збільшується, прийом погіршується через перешкоди. Пропускну здатність, доступну для пристроїв NB-IoT, можна розділити на багато частин через невеликий обсяг даних, так що кінцева точка традиційної соти GSM може бути в сто разів більшою за кількість керованих пристроїв. Звичайно, швидкості від 600 біт/с до 250 кбіт/с забезпечують задовільне рішення лише для датчиків на розумних пристроях, де потрібно передавати лише кілька даних з невеликою кількістю щоденних ітерацій, а натомість низьке споживання може бути реалізоване на низька вартість.
Переваги та ключові слова NB-IoT - це ПОКРИТТЯ, ПРОЖИВАННЯ, НИЗЬКА ВАРТІСТЬ ОБЛАДНАННЯ І ДОБРІ ВЛАСТИВОСТІ НА ПРИЙОМ.
Стільникові мережі, включаючи LTE, що використовується NB-IoT, пропонують чудове покриття в міських умовах, але датчики, як правило, розташовані на відкритому повітрі або всередині будівель, можливо, у підвалі, тому споживання традиційних модулів GSM може значно зрости через погані умови прийому . Завдяки своїй більш високій щільності енергії через вузьку смугу пропускання радіохвиль несучої частоти, NB-IoT краще проникає всередину будівель і може бути підключений заново в поганих умовах прийому: все це "оплачується" користувачем нижня пропускна здатність. Невеликі пакети даних, що надсилаються через великі проміжки часу, вимагають від модуля невеликої потужності, отже реалізацією однієї з найбільших переваг NB-IoT є тривалий час автономної роботи завдяки мінімальному енергоспоживанню. Модулі GPRS/UMTS/LTE (GSM/3G/4G) підтримують ряд послуг, які не потрібні пристроям IoT: голосовий зв’язок, послуга SMS та широкосмуговий доступ до Інтернету. Якщо їх опустити, апаратне забезпечення спрощується, що впливає на ціну пристроїв, а споживання також можна мінімізувати. Для того, щоб використовувати технологію NB-IoT, про пристрій потрібно врахувати кілька речей:
- Чи дозволяють умови покриття застосовувати технологію? (Чи є покриття, чи достатньо напруженості поля в точці розміщення датчика?)
- Потрібно перевірити профіль трафіку, а саме, як часто і скільки даних потрібно завантажувати або завантажувати (команди, оновлення)!
- Потрібно розрахувати, чи очікуваний час автономної роботи на основі споживання відповідає вимогам програми, і застосовувана технологія накопичення енергії (літієва батарея, ємність, характеристики розряду) повинна бути визначена на основі цього! Якщо очікуються великі миттєві витрати струму (пошук комірок, повторне підключення кілька разів), доцільно використовувати суперконденсатор, підключений паралельно літієвій батареї, що допомагає забезпечити негайний імпульс енергії нашому модулю, поки процес депасивації літієвої батареї в процесі.
Через взаємодію вищезазначених факторів, як правило, потрібен компроміс, або потрібно поступитися протягом очікуваного терміну служби акумулятора, або вибрати більш дороге, велике джерело живлення.
Підсумовуючи, ринкові тенденції вказують на стрибок у розвитку пристроїв IoT, і використання технології NB-IoT для їх передачі буде неминучим у найближчі роки. T-Systems це визнала і першою в Угорщині представила свою послугу NB-IoT, яка працює в Будапешті з листопада 2017 року з повним покриттям, і розробки тривають. Зараз Deutsche Telekom зробив цю послугу доступною у великих містах Німеччини та є першою у світі, яка пропонує національне покриття в Нідерландах.
Endrich разом зі своїми постачальниками прагне служити цій ринковій тенденції з боку компонентів: наші датчики добре відомі вже сорок років, і тепер ми увійшли у світ NB-IoT разом із нашим партнером з виробництва модулів GSM, FiboCom.
Розроблена для просування цієї технології, ми представили систему, засновану на NB-IoT, на виставці electronica 2018 у Мюнхені у співпраці з T-Systems, яка інтегрує популярну 64-піксельну міні-теплову камеру термопари Panasonic GridEye як датчик в Інтернет речей. . Дані розподілу температури передаються на різні хмарні сервери через німецьку мережу NB-IoT за допомогою трисмугового (CATM1, NB1 та GPRS) модуля Fibocom M910, де ми також дбаємо про візуальне відображення даних та створення зображення розподілу тепла.
Одну таку хмарну послугу надає сервер T-Systems у Будапешті, де ми відображаємо середнє значення температури, виміряне кожним пікселем тепловізора, та дані навколишньої температури, виміряні NTC.
Хмарний сервер, керований компанією Endrich, отримує дані температури за пікселями та генерує зображення розподілу температури, яке можна переглядати через Інтернет-браузер на смартфонах з підтримкою Інтернету відвідувачів ярмарку або на великому дисплеї кіоску на сайт.
Згідно з рекомендаціями T-Systems, зв'язок відбувається за протоколом передачі UDP замість TCP/IP, оскільки це зменшує обсяг даних через менший розмір заголовків, а також збільшує швидкість через відсутність перевірок помилок. Захист даних також посилюється тим, що дані можна надсилати лише на IP-адресу призначення (сервер). NB-IoT забезпечує високий рівень безпеки завдяки автентифікації на основі SIM-картки та використанню довгого (128-256 біт) ключа шифрування.
На рисунку 7 показано структуру системи, управління забезпечується програмним забезпеченням на базі Windows, що працює на панельному ПК (рис. 5). Ви можете вибрати хмарний сервіс, який ви хочете використовувати, і APN за країною. Датчик підключений до комп’ютера через послідовний порт (USB), і поточне зображення тепловіддачі відображається візуально, і виділяється візерунок об’єкта (наприклад, людини), теплішого за температуру навколишнього середовища. Модем GSM, також підключений через USB, управляється AT-командами через емулятор терміналу, вбудований в програму, таким чином встановлюючи з'єднання з APN, встановлюючи UDP-сокет до сервера додатків і направляючи дані до цієї бази даних за цим каналом.
Вибравши сервер T-Systems, ви зможете побачити дані в тексті.
Якщо для обробки даних обраний власний сервер додатків Endrich, тепловий образ можна переглядати на будь-якому підключеному до Інтернету пристрої через Інтернет-браузер (рис. 4).