Čoraz širšie využitie IIoT umožňuje technický pokrok v rôznych smeroch. Zahŕňa najmä obmedzenia nákladov na ukladanie údajov, vývoj v oblasti rádiofrekvenčného prenosu malého výkonu a vyššia úroveň dostupnosti komunikačných sietí. Ďalším dôležitým faktorom rozvoja IIoT je štandardizácia bezdrôtovej komunikácie.
Bezdrôtová komunikácia nie je nič nové
Bezdrôtové siete sa v priemysle používajú už viac ako tridsať rokov. V minulosti to boli väčšinou proprietárne siete v pásme pod 1 GHz. Používali sa jednoduché metódy modulácie ako kľúčovanie amplitúdovým posunom (ASK, Amplitude-Shift Keying) alebo frekvenčným posunom (FSK, Frequency-Shift Keying). Rádiové moduly, ktoré využívali tieto metódy modulácie, mali jednoduchú konštrukciu a boli zložené z jednotlivých súčiastok. Tienistými stránkami týchto sietí však bol úplný nedostatok zabezpečenia a obmedzená šírka prenosového pásma.
V minulých dvadsiatich rokoch bolo vyvinutých niekoľko štandardov určených pre odolné rádiokomunikačné systémy. Najnovšie z nich sú dostatočne zabezpečené a vhodné aj na široké použitie. Navyše sa v osemdesiatych rokoch zaviedlo niekoľko nových bezlicenčných frekvenčných pásiem vrátane pásiem 2,4 GHz a 5 GHz. V súčasnosti predstavuje využitie štandardizovanej rádiovej komunikačnej techniky v priemysle cenovo výhodný a pritom bezpečný spôsob monitorovania a riadenia prevádzkových zariadení. Na bezdrôtovú komunikáciu je k dispozícii množstvo štandardov, a preto sa objavila otázka, ktorý je ten správny.
Tri najbežnejšie štandardy na bezdrôtovú komunikáciu v pásme 2,4 GHz – Bluetooth, WiFi a Zigbee
WiFi (Wireless Fidelity)
WiFi alebo IEEE 802.11a/b/g/n je široko využívaný štandard pre súkromné a podnikové TCP/IP siete. Používa sa pri zariadeniach v sieťach WLAN (Wireless Local Area Network). Cieľom výboru, ktorý sa stará o rozvoj tohto štandardu, je, aby bolo pomocou neho možné čo najlepšie nahradiť káblové siete TCP/IP. Prioritami, ktorým sa dáva prednosť pred všetkými ostatnými technickým parametrami siete, sú zabezpečenie a rýchlosť. Siete 802.11n majú najväčšiu šírku pásma zo všetkých štandardov pre bezdrôtové siete krátkeho dosahu. Nevýhodou je veľká spotreba a veľký výpočtový výkon nutný na efektívne spracovanie stacku protokolu 802.11. Tieto nevýhody vytvorili miesto na trhu, a preto sa objavilo niekoľko štandardov pre bezdrôtové siete s veľmi malou spotrebou.
Bluetooth
Bluetooth a Zigbee sú štandardy vytvorené pre prípady, pre ktoré nie sú vhodné siete WiFi. Štandard Bluetooth je určený pre siete PAN (Personal Area Network) s malou spotrebou. Siete PAN sú siete v bezprostrednej blízkosti osôb a inteligentných zariadení. Požiadavky, ktoré sa na ne kladú, sú rýchle začlenenie nového zariadenia do siete, jednoduché HMI rozhranie a malá spotreba. V sieťach PAN býva veľké množstvo komunikačných zariadení umiestnených na malom priestore. Protokol Bluetooth obsahuje časovanie, ktoré zabezpečí, aby sa vysielače v sieti neovplyvňovali. Štandard Bluetooth bol taktiež navrhnutý s ohľadom na koexistenciu so sieťami WiFi a zahŕňa algoritmus frekvenčných preskokov, ktoré zabezpečia úspešných prenos telegramov Bluetooth aj v prostredí, kde je niekoľko aktívnych kanálov WiFi. A nakoniec, pretože siete Bluetooth používajú vysielače s malým výkonom, sú oveľa menej citlivé na rušenie viaccestným šíreným signálom. Siete Bluetooth teda môžu byť úspešne používané aj bez podrobného projektovania a skúmania miestnych podmienok a sú veľmi odolné proti rušeniu a interferenciám.
Zigbee
Štandard Zigbee vychádza zo štandardu IEEE 802.15.4, čo je štandard pre bezdrôtové rádiové siete s malým výkonom určené na bežné použitie. Umožňuje využívať na jednotnom základe rôzne protokoly. Štandard Zigbee bol navrhnutý pre siete inteligentných snímačov s malým vysielacím výkonom, schopné pokryť rozsiahle oblasti. Aby siete Zigbee splnili tieto technické požiadavky, využívajú voľnú topológiu mash a veľmi agresívne riadenie vysielacieho výkonu. Protokol Zigbee je navrhnutý tak, aby mohli byť zariadenia jednoducho uspané a v prípade potreby zase rýchlo opätovne aktivované. To výrazne prispieva k zníženiu spotreby elektriny. Na základe normy IEEE 802.15.4 sú postavené aj ďalšie protokoly, napr. ISA 100, WirelessHART alebo 6LoWPAN.
Bluetooth Low Energy
Bluetooth Low Energy (BLE) je doplnením štandardu Bluetooth. Štandard BLE využíva niektoré metódy štandardu IEEE 802.15.4, aby umožnil ešte nižšiu spotrebu ako Zigbee, a podporuje niektoré funkcie pôvodne vytvorené pre štandard Zigbee.
Výber vhodného štandardu
Ktorý štandard je teda ten najlepší? To záleží na konkrétnych požiadavkách. WiFI má najväčšiu šírku pásma a je najuniverzálnejší, ale Bluetooth, Zigbee a BLE majú funkcie a vlastnosti, vďaka ktorým sú ideálne na mnohé špeciálne úlohy. Ak chcete napríklad sledovať hodnoty namerané batériovo napájanými snímačmi umiestnenými vo veľkom priestore, bude najlepšie použiť ZigBee. Bluetooth a BLE sú vhodné tam, kde treba nahradiť kábel medzi dvoma zariadeniami, alebo na monitorovanie snímačov v menšej oblasti. BLE sa široko využíva pri tabletoch a inteligentných telefónoch. Vďaka BLE sa tieto zariadenia môžu stať veľmi komfortným mobilným ovládacím HMI panelom pre pripojené zariadenia.
Aj keď sa technické parametre štandardov líšia, niet pochýb o tom, že v blízkej budúcnosti bude využitie bezdrôtových sietí stále rásť. S úsvitom priemyselného internetu vecí (IIoT) bude potrebné k internetu pripojiť miliardy zariadení a mnohé z nich budú bezpochyby pripojené bezdrôtovo.
Zhrnutie výhod a nevýhod jednotlivých štandardov
1. WiFi
a) Výhody:
- najväčšia šírka pásma, až 600 Mb/s pri 802.11n,
- pevné kanály 25 MHz alebo širšie,
- podpora kanálov v pásmach 2,4 aj 5 GHz,
- rozsiahla ponuka funkcií zabezpečenia.
b) Nevýhody:
- pri veľkej prenosovej rýchlosti a v pásme 5 GHz je menší dosah,
- nie je príliš vhodný pre snímače napájané z batérií.
2. Bluetooth/BLE
a) Výhody:
- veľmi malá spotreba,
- masívne rozšírenie,
- veľmi dobrá funkčnosť v prostredí s veľkými rušením alebo v mnohých koexistujúcich sieťach,
- jednoduché použitie, netreba plánovať využitie frekvenčného spektra ani vytvárať mapu priestoru, kde bude sieť použitá.
b) Nevýhody:
- šírka pásma do 2 Mb/s,
- neexistuje štandard pre automatický roaming.
3. Zigbee
a) Výhody:
- veľmi malá spotreba,
- pevné kanály medzi kanálmi WiFi v pásme 2,4 GHz,
- podpora pre pásma pod 1 GHz.
b) Nevýhody:
- komplikovaná sieť Mesh,
- najväčšia šírka prenosového pásma len 250 kb/s.
O autorovi
Tom McKinney (tmc@hms-networks.com) je Business Development Manager HMS Labs – iniciatívy spoločnosti HMS Industrial Networks pre inovácie. Má mnohoročné skúsenosti z oblasti bezdrôtových sietí, VoIP a 1349 a často publikuje a prednáša na tému bezdrôtových komunikačných sietí. Viac informácií o bezdrôtových sieťach a komunikácii v priemysle nájdu záujemcovia na www.anybus.com.