Sammenligning af IoT-connectivity teknologier

Hver eneste ting – eller enhed – på Internet of Things, vil blive forbundet. For at spare strøm eller transmissionsomkostninger, kan de tilsluttede enheder dog kun periodisk udveksle datapakker, eller elementer kan streame data kontinuerligt med en passende hastighed – enten over en fast linje eller trådløst.

I et peer-to-peer-system kan enhver enhed starte kommunikationen til en anden tilsluttet enhed. Hver enhed kender adresserne på alt andet relevant udstyr. I klient/serversystemer venter klienten på en forespørgsel fra serveren som klienten så kan svare på.

Netværksstruktur (Topologi)

Kabel forbundne systemer er ofte organiseret i en Star topology, der forbinder en gruppe til en central hub, ligesom internetenheder, der er forbundet til en router. En stjerne af stjerner udgør en struktur i større netværk.

Antallet af krævede forbindelser kan reduceres ved at forbinde langs en Daisy Chain Topology, hvor hver enhed lytter efter relevante meddelelser på en fælles bus dirigeret fra en enhed til den næste i en kæde.

Trådløse systemer kan anvende Star-topologien, hvor en enkelt enhed danner det fælles adgangspunkt – såsom en basestation til mobiltelefoner inden for rækkevidde eller et WiFi-netværk med tilsluttede enheder.

En yderligere fordel ved trådløse systemer er evnen til at oprette forbindelse til ethvert emne i nærheden i en såkaldt Mesh topology. Routingen til transmission mellem to enheder kan variere afhængigt af den aktuelle signalstyrke, tilgængelighed eller effektprioriteter. Robustheden er meget højere end i et strengt hierarkisk netværk, hvis forbindelsen dynamisk kan optimeres ved at omdirigere gennem nettet.

Kabelforbindelse (industrielle busser, USB, Ethernet o.a.)

I visse miljøer betragtes en kabelforbindelse som mere stabil, mindre støjfølsom og elektronikken kan være billigere – udover omkostningerne ved at rulle ud og vedligeholde ledningerne (som I mange industrielle tilfælde er meget høj). Flere kabelforbindelsesløsninger er optimeret til kommercielle eller industrielle formål. USB og en industriel Profibus (Siemens proprietær standard) er typiske eksempler på kabelforbindelser. Analoge (ældre) sensorer, kan simpelthen være en måling af en variabel modstand eller induktans gennem en ledning.

Båndbredde med kabelforbindelse

Internetudstyr uden behov for bærbarhed er kablet via 8-leder Ethernet og et RJ45-stik, et kabel fra routeren til hver af enhederne. Routeren eller hubben kan registrere den understøttede båndbredde på hver enhed.

Kabelforbindelse er tilgængelig gennem et udvalg af flere teknologier. Højhastighedsforbindelser opnås via fiberoptisk kabel med en laserdiode og en lyssensor i hver ende af fiberen. Hastigheden er højere end gennem koaksialkabler, som igen tilbyder højere båndbredde end snoede og parrede ledninger, hvoraf der er fire sæt i et Ethernet-kabel. En metallisk skærm, der er viklet rundt om kablet, kan beskytte systemet mod elektrisk støj og muliggøre højere båndbredde.

Parallelle forbindelser, der etablerer en fysisk ledning pr. bit i en f.eks. 16 eller 32 bit adressesystem, ses mellem systemkomponenter i computersystemer.

Trådløs forbindelse

Flere gode grunde berettiger til at opgive kablede forbindelser, og i stedet forbinde enheder trådløst. Begrundelsen kan være kombinationer af fjernadgang eller mangel på fysisk infrastruktur, behov for mobilitet, bekvemmelighed ved installation uden de besværlige og dyre ledninger eller simpelthen for at undgå at beskadige kablerne. Trådløs forbindelse er baseret på transmission af radiobølger, hvor en højfrekvent bærerbølge moduleres som om en lyskilde skifter farve i et genkendeligt mønster. Visse systemer tildeler et tidsinterval for hver enhed, der får adgang, andre bruger variationer i frekvens (kanaler) eller kodningsform.

Jo højere frekvens jo højere datahastighed er det mulig at overføre data med. Imidlertid trænger lavere frekvenser normalt lettere ind i bygningselementer som betonvægge. Datahastigheden og den nødvendige signalstyrke for at forblive forbundet konstant eller periodisk, har en stærk indvirkning på strømforbruget.

En omfattende liste over alle tilgængelige trådløse teknologier er tilgængelig på https://www.link-labs.com/blog/complete-list-iot-network-protocols.

Cellular med lang rækkevidde (3G, 4G, 5G, NB-IoT)

3G-, 4G- (eller Long Term Evolution LTE) -netværket er opdelt i celler inden for hvert et stort antal mobile produkter, der deler adgang til den samme basestation. Når den mobile enhed bevæger sig, eller signalet forringes, forsøger enheden at oprette forbindelse til den nærmeste basestation inden for rækkevidde. IoT- eller M2M (machine-to-machine) -optimerede cellulære radioenheder kan beordres til dyb søvn for minimalt strømforbrug, og derefter vågne op til transmission af en serie data, når det er nødvendigt. Nye standarder for smalbånd NB-IoT og LTE-M er specialiserede underspecifikationer, der tilbyder strømbesparelse og lavere båndbredde på det eksisterende mobilnetværk til applikationer, der kræver billigere udstyr end en standard mobilforbindelse. Et M2M-netværk via Cellular leveres med abonnements- og datahastighedsomkostninger.

Wide Area Network med lavt strømforbrug (Sigfox, LoRaWAN)

LP-WAN-systemer optimerer rækkevidden, men minimerer båndbredde og strømafbrydelse ved transmission. For eksempel vil et Sigfox-signal forbinde op til hundreder af kilometer i direkte sigtelinje fra basestationen. Transmissionen bruger et ultra-smalt bånd-princip, der kun sender 12 bytes pr. besked og op til 140 beskeder om dagen, for at minimere belastningen fra mange tilsluttede enheder.

LoRa er et andet proprietært netværk, der i øjeblikket rulles ud over hele verden med lav strømforbrug. Protokollen kan implementeres på det radiospektrum, der er allokeret regionalt til åbne applikationer.

Trådløst kort-rækkevidde netværk (WLAN)

WiFi – et trådløst adgangspunkt deler en forbindelse mellem enheder, der har logget ind ved hjælp af ID og adgangskode. WiFi-routeren er typisk forbundet via Ethernet til netværksbackend. Routeren i stjernetopologien bestemmer netværksaktiviteten for hver enhed i netværket.

Alternativt kan to enheder engagere sig i en direkte netværksstruktur, hvor hver enhed kan initiere kommunikationen til en anden. De kan derefter ændre frekvens for at undgå interferens fra andre, der kommunikerer på den samme kanal.

Kort rækkevidde – trådløs forbindelse til små enheder (Bluetooth, Zigbee, Z-Wave, Thread o.a.)

Bluetooth blev oprindeligt defineret til at understøtte forskellige formål, hver styret af en bestemt profil, for eksempel lydtransmission til højttalere eller headset. Senere nyere profiler specificerer IoT-specifik dataoverførsel af f.eks. biometriske parametre som blodtryk eller glukoseindhold.

Fra Bluetooth-frigivelse BLE-4 har Bluetooth fået særlig opmærksomhed på optimering til lavenergibehov (LE) i små batteridrevne enheder. Bluetooth-enheder bruges ofte via en masterenhed til en anden netværkstype, såsom WiFi eller Ethernet, for at overvinde kortdistancebarrieren, når de forbinder individuelle rum eller større områder.

Profibus, og andre ældre kablede standarder, erstatter de fysiske lag og bevæger sig ind i trådløs for at genbruge eksisterende kommunikationsprotokoller og logik, uden behov for en ledning.

Andre rent trådløse standarder, der er udviklet til forbrugere eller industrielle applikationer, inkluderer Zigbee, Z-Wave, EnOcean, Thread, 6LowPAN osv., Alt sammen kort rækkevidde med høj båndbredde til tilslutning af enheder.

Kontaktløse/Near Field teknologier

Near Field Communications (NFC) var designet til at sende små databursts, for eksempel legitimationsoplysninger for finansielle transaktioner eller udveksling af identifikation inden oprettelse af en forbindelse over f.eks. BT eller WiFi.

Fortsæt læsningen: IoT-systemarkitektur.