Az IoT rendszerek gyakran több száz vagy több ezer hálózati csomópontot tartalmaznak és fognak össze. Pusztán e számosság okán elmondható, hogy az egyik legjellemzőbb rendszerfejlesztési megkötés ezeknek az eszközöknek a bekerülési és fejlesztési költsége, illetve energiamenedzsment lehetőségeik, fokozottan válnak hangsúlyos szemponttá a rendszerskálázás során. Ilyen léptékben nem túlzás aztán állítani, hogy a termékek internetcsatlakozási lehetőségei önmagukban képesek eldönteni, hogy a megoldás sikeres lesz a piacon, vagy éppen elbukik.
Cikkünkben bemutatjuk az IoT alkalmazásokban használt, legáltalánosabb internetcsatlakozási módszereket, és lehetséges megoldásokat mutatunk arra, hogyan lehet az IoT-ben a szókezdő „I”-re feltenni a pontot.
1. ábra. Az Internet of Things (IoT) rendszerek ugyanazon hálózatban működő eszközök százaiból, ezreiből tevődnek össze
Az ethernet
Az ethernet az internetcsatlakozás megvalósításának egy gyors és nagyon megbízható módja. Rendkívül elterjedt az iparban és épületautomatizálásban is, és kifejezetten optimális hálózati teljesítményt nyújt olyan rendszerekben, amelyek nagyszámú hálózati csomópontot tartalmaznak egyazon hálózaton belül.
Mivel az ethernet fizikai kábelezéssel működik, biztonságosnak is tekinthető ezáltal. Rendelkezésre áll továbbá a Power-over-Ethernet (PoE) protokoll segítségével a hálózati eszközök elektromos megtáplálásának lehetősége is magán az Ethernet kábelen keresztül, amely miatt külön tápegységmodulra nincs is szükség.
A fizikai kábelezésnek azonban nemcsak előnyös oldalai vannak, hiszen a rendszer kialakítása, felépítése és elrendezése bonyolultabbá teszi az implementációt, ezáltal nem is alkalmas bármely esetre. Az etherneten keresztül csatlakozó hálózati csomópontoknak egy hálózati útválasztóhoz (routerhez) közel kell lennie, és még az olyan egyszerű, kis hatótávolságú alkalmazásokban is, mint az otthonvagy épületautomatizálás, az ethernet kábelezése meglehetősen otromba és hálózatépítés tekintetében bonyolult tud lenni. A mai modern gépészettel rendelkező épületekben az automatizált világítástechnikai rendszereket már az épület építésekor implementálják és behuzalozzák, azonban az ethernetes IoT rendszerek telepítése egy erre korábban fel nem készített épületen belül gyakran nem kifizetődő.
A Wi-Fi
Napjaink internetcsatlakozási igáslova (ha úgy tetszik), a vezetékmentes Wi-Fi a legtöbb szempontból rendkívül vonzó, mint lehetőség. Megannyi eszköz oldaláról, széles körű támogatottságot élvez, és implementációját nem nehezíti az ethernetre jellemző kábelezési körülmény.
Rendkívüli elterjedtsége dacára a Wi-Fi hálózati képesség implementációja egy beágyazott rendszerben jellemzően elég összetett feladat. A Wi-Fi vonzó alternatíva, mivel nemcsak vezetékmentes, de ma már meglehetősen nagy adatátviteli sebességű is, azonban ez jelentős teljesítményfelvétel és biztonsági kockázatok árán érhető el. Mindezek eredményeképpen az IoT rendszerekben a Wi-Fi implementálásához egy felkészült hálózati mérnök hozzájárulása szükséges, aki a biztonságtechnika, energiamenedzsment és költségek között képes az optimumot megtalálni.
2. ábra. A szórakoztatóelektronikában széles körben használt internethozzáférési hálózati technológia, a Wi-Fi nagy sávszélességet és vezetékmentességet kínál
Szerencsére számos olyan megoldás létezik manapság, amely segíti a mérnököket ennek a feladatnak a megoldásában. Az IoT-re optimalizált Wi-Fi modulok használata egyszerűbb rendszertervezést és rövidebb rendszerfejlesztési időt ígér. Az olyan modulok, mint a Microchip WINC1500 teljes Wi-Fi tanúsítvánnyal rendelkeznek, támogatnak egy sor biztonsági protokollt, és energiamenedzsment tekintetében kifejezetten akkumulátorról vagy elemről működtetett eszközökhöz vannak optimalizálva, ezzel elkerülve a költségek és teljesítményfelvétel oltárán hozott komoly kompromisszumokat.
Az LPWAN
A kisfogyasztású, széles lefedettségű hálózat (Low Power Wide Area Network – LPWAN) kevésbé elterjedt a szórakoztatóelektronikában, ezért az is lehet, hogy nem cseng ismerősen még a neve sem. Annyi viszont biztos, hogy az IoT rendszerek jelentős hányada széles földrajzi lefedettséggel működik, gondoljunk csak például az egyik legtipikusabb IoT alkalmazásra, a környezetmonitorozásra.
A környezetmonitorozásban az IoT alkalmazásának szépsége, hogy a külvárosi, vidéki, vízparton túli és egyéb, jellemzően nagyon nehezen vagy egyáltalán nem hozzáférhető helyeket lehet által megfigyelés alatt tartani. A Mojave-sivatagban nincs ugyanis Wi-Fi hozzáférési pont, és a Mariana-árokban sem lehet az adatgyűjtő eszközöket gyorstöltőre rakni…
3. ábra. Az LPWAN alkalmazására az egyik tökéletes példa a mezőgazdaság, amelyben rendkívül szerény teljesítményfelvétel mellett nagy területeket lehet lefedni
A tipikus LPWAN alkalmazásokban a hatótávolság 10 kilométer körül van. Az adattovábbítás rendkívül alacsony sebességgel történik, azonban hacsak nincs folyamatos email szinkronizálás vagy videóstreamelés, nagysebességű adatkapcsolatra valószínűleg egyébként sem lenne szükség.
Bár többnyire valóban mezőgazdaságban és távolra kihelyezett adatgyűjtő alkalmazásokban hasznosítják az LPWAN-t, nem szükséges kizárólag ezekre szorítkozni. A nagyvárosi használat ugyanis szintén terjed, amelynek egyik legfrissebb példája honnan máshonnan, mint Észak-Amerikából érkezik, ahol nemrég helyeztek üzembe egy LPWAN technológiára épülő, aukciós telepi járműkövető rendszert.
Két elterjedt LPWAN hálózati protokollt említhetünk meg: ezek a LoRaWAN™ és a Sigfox. Közöttük az egyik legfőbb különbség a költségekben rejlik: míg a Sigfox egy előfizetésalapú szolgáltatás, amely a cellás mobilhálózati szolgáltatásokhoz hasonlóan érhető el szolgáltatási előfizetés útján a szolgáltatási területeken belül, addig a LoRaWAN inkább a „csináld magad” típusú fejlesztőknek kedvez, akik elkerülnék az előfizetési díjakat, és maguk építenék meg hálózatukat. A LoRaWAN esetében ugyanakkor meg kell jegyeznünk azt is, hogy a legtöbb fejlesztő egy helyi szolgáltató LoRa hálózati átjárójához való csatlakozást, és a használatonkénti díjfizetést részesíti előnyben.
A cellás mobilhálózat
A külső vidéki és egyéb távoli helyeken alkalmazásfejlesztők számára jó hír, hogy a cellás mobilhálózat mára már gyakorlatilag lefedi a világ jó részét. Az ilyen nagy hatótávolságot igénylő, kihelyezett IoT rendszerek számára a cellás mobilhálózat alkalmazása az egyetlen lehetőség, amely sajnos azonban drága. Kénytelenek vagyunk hálózati szolgáltatót megfizetni, hiszen kormányzati jóváhagyás hiányában saját hálózatot nem építhetünk, továbbá a beágyazott alkatrészek és a szolgáltatói előfizetések költsége minden hálózati csomópontra nézve olyan magas lehet, hogy könnyen semlegesíthetik a cellás mobilhálózati technológia minden egyéb előnyét, a nagy hatótávolságot is beleértve.
Feltétlenül különbséget kell tehát tenni a két eset között, hiszen nem ugyanarról van szó, amikor a dolgok internete csomópontjai által használt cellás mobilhálózati hozzáférésről, vagy a havonta egyszer kiköhögött mobiltelefon-előfizetésről beszélünk. Az IoT-specifikus cellás mobilhálózatok mindentől függetlenül fejlődnek és terjednek, és kezdenek az LPWAN technológiás megoldásokkal versenyezni. Az egyik feltörekvő IoT cellás mobilhálózatos technológia az LTE CAT-M, amelyben az „M” a „machine”, vagyis „gép” meghatározást takarja, és emögött egy kisebb sebességű, olcsóbb, kisebb energiaigényű, tehát IoT-re optimalizált megoldást rejt. A szélessávú internethozzáférést is tartalmazó mobilelőfizetés költsége jelentős lehet, az 5 MiB adatforgalmat tartalmazó CAT-M adatcsomagok költsége havi 5 dollár körül alakul. A cellás IoT internethozzáférési csatlakozások további technológiai lehetőségei a CAT-0, CAT-1, illetve a keskenysávú, vagy NB-IoT.
Az ötödik generációs, 5G mobilhálózati technológia eljövetelével sokan megváltást várnak az IoT-ben is. Az 5G által hozott nagyobb adatátviteli sebesség fejlődést hozhat az IoT-s csúcsalkalmazások területén (pl. önjáró járművek), azonban kétségtelenül magasabb költségek mellett, mint amire az IoT-t eredetileg kalibrálták. Az 5G lefedettség még sokáig nem lesz olyan jelentős, mint a 3G vagy az LTE, azonban nyilvánvalóan rohamléptekkel bővülni fog. Iparági elemzők szerint lehetséges, hogy a következő 5 évben az 5G lefedettség a világ népességének 20 százalékra is kiterjed majd.
A műholdas hozzáférés
A cellás mobilhálózat lefedi ugyan a benépesített területek többségét, de mi van akkor, ha nagyon messzi, lakatlan területekről van szó? A cellás mobilhálózat legyen bármilyen jó, nem terjed ki olyan területekre, mint például a Föld távoli pontjain hajózó konténerhajók fedélzete, így ezekre az esetekre a műholdas rendszerek nyújtanak jobb megoldást a legtöbb helyzetben. Bár a műholdtechnika is fejlődik, a műholdas IoT alkalmazások fejlesztése közel sem annyira kézenfekvő és könnyen kivitelezhető, mint a többi internethozzáférési technológiát alkalmazó megoldásé. Sok műhold szolgál védelmi célokat, de modulokat az Iridium® vagy ORBCOMM® szolgáltatóktól is lehet vásárolni.
A Bluetooth
Alighanem mindenki hallott mát a Bluetooth-ról, aki egy kicsit is jártas a mobil hírközlésben. Mind a klasszikus Bluetooth, mind a Bluetooth Low-Energy (BLE) szabványváltozatok hatótávolsága eléri a 100 métert, jellemzően azonban a technológiát egymástól legfeljebb néhány méter távolságra lévő eszközöknél alkalmazzák. Mindennapi életünkben legtöbbünk rendelkezik Bluetooth eszközökkel, gondoljunk csak például a számítógépünkre, okostelefonunkra, kihangosítónkra, komputeres perifériáinkra, kijelzőinkre stb. A Bluetooth a szórakoztatóelektronikai alkalmazásokban kiváló, hiszen energiaigénye szerény (különös tekintette a BLE eszközökre), elterjedtsége széles körű, az eszközpárosítás ma már nagyon gyors és egyszerű.
A Wi-Fi-vel ellentétben a Bluetooth nem alkalmas arra, hogy közvetlen internetcsatlakozást valósítsanak meg vele, ehhez ugyanis szükség van egy hálózati átjáróra, ami az internetcsatlakozást lehetővé teszi. Bár egy saját hálózati átjáró implementálásának gondolata rémisztő lehet, gyakran annyira egyszerű feladatról van szó, mint egy Wi-Fi hálózat felkonfigurálása.
A Bluetooth szabvány legfrissebb iterációja a Bluetooth 5.0, amely egyebek mellett a Bluetooth hatótávolságát terjeszti ki, kompatibilissá téve a rendszert az otthoni hálózatok követelményeivel. Míg a klasszikus Bluetooth vagy Bluetooth LE segítségével az egymástól néhány méter távolságra lévő eszközök között létesíthető kapcsolat, addig a Bluetooth 5.0-val már egy komplett lakóház helyi összeköttetése megvalósítható. Ez a kiterjesztett hatótávolság elhozza a Bluetooth 5.0 számára az épületautomatizálás, intelligens világítástechnika és ipari alkalmazások lehetőségeit.
Javaslatok, ajánlások
A bemutatott internethozzáférési technológiák között az egyik legfőbb különbség az implementáció nehézsége. Az olyan elterjedten használt hálózatok, mint a Wi-Fi vagy a Bluetooth, a legalkalmasabbak arra feltehetőleg, hogy az IoT rendszerek általános üzemképességét felmérjék, hiszen ezek mellett sem szolgáltatói szerződésre, se egyedi hálózati átjáró megépítésére nincs szükség az éles próbához.
Számos Wi-Fi és Bluetooth technológiás prototípusfejlesztési modul érhető el a fejlesztők számára, amelyek közül a legtöbb nyílt forráskódú programokkal és tanító modulokkal együtt érkezik, hatékonyan elősegítve a gyors tanulást és fejlesztést. A hálózati csatlakozásra optimalizált, ún. „connectivity” modulok használata ajánlott, mivel ezekkel lényegesen rugalmasabb tud lenni a rendszer. Ha elérkezik az idő arra, hogy az IoT rendszerünket más hálózattípusra ültessük át, a modul egyszerű cseréjével a feladat viszonylag egyszerűen megoldhat, hiszen nem kell a rendszer maradék részéhez hozzányúlni.
A fejlesztés elősegítése
Az IoT rendszerfejlesztésnek csupán egyik ága az internetcsatlakozás megvalósítása, hiszen az IoT alkalmazásoknak nemcsak internetképesnek, hanem biztonságosan és intelligensnek is kell lenniük. Az elektronikai alkatrészek nyelvére lefordítva ehhez mikrokontrollerre, hálózati csatlakozásra optimalizált modulra és titkosító elemre van szükség, így tehát az IoT fejlesztés lefordítható végeredményben e három alkatrész integrációjára is.
A Microchip AVR-IoT WG fejlesztőkártya az optimalizált Wi-Fi fejlesztőplatformok egyik kiváló példája. A modul előkonfigurált a Google Clould IoT platformhoz történő biztonságos csatlakozás érdekében, és a titkosító elemet, mikrokontrollert és hálózati csatlakozásra optimalizált modult egyetlen kártyán tartalmazó fejlesztőkészlettel a dizájnmunka „pepecselős” része kihagyható, és rögtön a tárgyra lehet térni, ami nem más, mint egy gyorsan piacra dobható, innovatív termék lényegi fejlesztése.
Az Arduino Uno WiFi Rev 2 ugyancsak intelligens, internetképes és biztonságos, ráadásul az Arduino prototípusfejlesztői közösség rendkívül aktív és segítőkész, ezáltal az interneten jelentős mennyiségű oktatóanyagot és nyílt forrású programot, programrészletet lehet megtalálni.
A szlovén MikroElektronika click board™ bővítőkártyák a gyors prototípusfejlesztést támogatják, közvetlenül csatlakoznak az AVR-IoT WG fejlesztőkártyához, vagy árnyékoláson keresztül az Arduino Uno WiFi Rev 2-höz. Többféle változatú és hálózati protokollt támogató click board sorozatú bővítőkártya érhető el a cég kínálatában (beleértve különféle LoRa és Bluetooth modulokat is), amelyek kiváló módját valósítják meg az IoT rendszer hálózatképessé tételének a prototípusfázisban.
Soha nem volt még internetképes IoT alkalmazás fejlesztése olyan egyszerű és elérhető, mint most a felhasználóbarát Arduino és AVR-IoT WG fejlesztőkártyák segítségével. Akár hivatásszerűen, hobbicélból vagy egyéb személyes érdeklődésből foglalkozik beágyazott rendszerek fejlesztésével, vagy pusztán elektronikai blogok érdeklődő követője, immár bizton állíthatjuk, hogy hála ezeknek az okos fejlesztéstámogató megoldásoknak, megfelel az IoT alkalmazások fejlesztési követelményeinek. Az internetcsatlakozás elterjedése ilyen mértékben tagadhatatlanul hozzájárul egy most még pontosan elképzelhetetlen jövő eljöveteléhez.
