Keskenysávú IoT technológia alkalmazása szenzorhálózatokhoz
Az Endrich GmbH az idei Electronica kiállításon a Deutsche Telekom és leányvállalata, a T-Systems Magyarország támogatásával élő NB-IoT tesztrendszert állított üzembe.

 

A dolgok Internete (Internet of Things – IoT) hálózatba kapcsolt okoseszközök sokasága, melyek közös jellemzője, hogy szenzorjaik adatait – a kapcsolódáshoz szükséges kommunikációs modulokon keresztül – valamilyen felhőszolgáltatás alkalmazásszerverei gyűjtik össze és dolgozzák fel. Legyen az eszköz valamilyen egészségügyi, vagy sportcélú – a test működését monitorozó – okosóra, karpánt (wearable), a talaj nedvességszintjét vagy a külső hőmérsékletet, esetleg a levegő páratartalmát mérő mezőgazdasági szenzor.

De lehet egy saját állását jelenteni képes okos fogyasztásmérő, egy olyan intelligens áruházi hűtő, vagy polc, mely a kínált árucikkek fogyását képes naplózni, egy lakásriasztó, idősfelügyeleti rendszer vagy tűzjelző – minden esetben szükség van valamilyen vezetékmentes kommunikációs technológia alkalmazására. Vajon milyen legyen ez a gazdaságosan üzemeltethető, technikailag kifogástalanul működő szabványos hálózat? Erre a kérdésre keresik ma legtöbben a választ az IoT világában.

Amennyiben rövid távolságokat kell akár vezetékkel, akár rádióhullámokkal áthidalni a lokális hálózatok LAN, WiFi, vagy egyéb WLAN megoldások, mint a Bluetooth, ZigBee, esetleg más near-field technológiák (RF-ID) is alkalmazhatók, ha az elemes táplálás nem korlátozza ezek felhasználását. Nagyobb távolságok esetén azonban már valamilyen egyetemes hálózati szolgáltatást kell igénybe venni, mint például a LoRaWAN vagy a mobiltelefon hálózat.

Ha az adatokat felhőszolgáltatók adatbázis szervereire kell juttatni, és később valamilyen internetes technológián alapuló programmal kell feldolgozni és biztosítani a vizuális megjelenítést, TCP/IP vagy UDP alapú adatátvitel a kézenfekvő, és erre a legjobb megoldást talán a létező celluláris mobilhálózatok nyújtják.

Sajnos azonban ez a klasszikus technológia lassan eléri határait, nem lehet a mobilcellák által kiszolgált végpontok (okoseszközök) számát jelentősen növelni. Emellett az ilyen készülékek alacsony adatátviteli igényeit a mai szélessávú mobilhálózatok (GPRS, UMTS vagy LTE) nyújtotta szolgáltatásokkal túl drágán és felesleges erőforrások bevonásával lehet csak kielégíteni, ami gátat szab a régen várt és prognosztizált IoT/M2M forradalomnak.

 

 

Ma az okoseszközök számára az alkalmazható maximális sávszélesség és a ráfordítási költség ideális arányát biztosító, könnyen elérhető szabványos rádiós adatátvitelre van szükség. A vezető mobilszolgáltatók egyik lehetséges technológiai válasza erre a kihívásra a gép-gép közötti (M2M) adatátvitelt biztosító kisteljesítményű és nagy hatótávolságú LPWAN (low power wide area networking) hálózatok területén a keskenysávú IoT (NB-IoT) szabvány (LTE Cat-NB1) bevezetése.

Számos más technológia is létezik ezen a területen, azonban ezek nem elsősorban a kis adatmennyiségek ritkán történő átvitelére lettek optimalizálva, és bár rendszerint kiváló kültéri lefedettséggel rendelkeznek, vételi lehetőségeik erősen korlátozottak beltéren. A kereskedelmi forgalomban kapható modulok általában a 3G/4G hálózatok kínálta szolgáltatások nagy részét támogatják, amire IoT alkalmazásokhoz egyáltalán nincs szükség. Ezek amellett, hogy drágítják a hardvert, többletfogyasztással is járnak, az akkumulátor üzemidejét erősen csökkentik.

A mobilhálózatok egyik fontos jellemzője a nagyfokú skálázhatóság, a mobil hálózat operátorok a meglévő LTE hálózatban kezelhetik saját kapacitásukat. A védett technológiák, mint a SigFox és a LoRa saját átjárókat és helyi hálózatot igényelnek, melyeket országonként más és más cégek üzemeltetnek, a hálózati operátorok így egyedi sajátosságokkal kell, hogy megküzdjenek. Biztonságosabb és kényelmesebb számukra, ha a meglévő LTE platform mentén tevékenykednek.

 

 

Az NB-IoT az LTE technológián alapul, de egyes az LPWA igényei szempontjából lényegtelen szolgáltatás hiányzik a specifikációjából, így olyan előnyöket képes kínálni, melyeket más technológiák, mint a GPRS/UMTS/LTE csak komoly költségráfordítással érhetnek el. Az NB-IoT a jelenlegi LTE szabvány kiterjesztéseként szolgál, csakúgy, mint a komolyabb adatátviteli igényű M2M kommunikációra kidolgozott LTE-M (Long Term Evolution for Machines), LTE-CAT-M1. Ez utóbbi jelentősen megnövelt sávszélessége lényegesen nagyobb spektrumszélességet és bonyolultabb, így drágább rádiómodulokat igényel.

Az NB-IoT az LTE hálózat meglévő infrastruktúráját (bázisállomások, antennák, engedélyezett spektrum) használja. Az engedélyezett sávok hatalmas mennyiségű eszközt képesek kezelni, míg az ISM sávokban a kapcsolódó eszközök számának növekedésével a vétel az interferencia miatt romlik. Az NB-IoT eszközök számára rendelkezésre álló sávszélesség a kis adatmennyiségek miatt sok részre osztható, így egy hagyományos GSM cellánál megszokott végpont százszorosa lehet a kezelt eszközök száma. A 600 bits/s – 250 kbit/s sebesség természetesen csak az olyan okoskészülékek szenzorjai számára nyújt kielégítő megoldást, ahol néhány adat továbbítására van csak szükség kis napi ismétlésszámmal, cserében alacsony költségek mellett kis fogyasztás realizálható.

Az NB-IoT előnyei és kulcsszavai

A celluláris hálózatok – így az NB-IoT által használt LTE is –, urbánus környezetben kiváló lefedettséget kínálnak, azonban a szenzorok általában külterületen vagy épületek belsejében, esetleg alagsorában helyezkednek el, az itteni gyenge vételi viszonyok miatt a hagyományos GSM modulok fogyasztása erősen megnőhet. Az NB-IoT a rádióhullámok keskeny vivőfrekvencia-sávszélessége miatti nagyobb energiasűrűsége okán jobban képes behatolni az épületek belsejébe és a gyenge vételi viszonyok esetén ismételt kapcsolatfelvételre is van lehetőség, mindezt az alacsonyabb sávszélességgel „fizeti meg” a felhasználó.

 

 

A hosszú időközönként elküldött kis adatcsomagok kis energiaigényt támasztanak a modul felé, így megvalósul az NB-IoT egyik legnagyobb előnye a minimális fogyasztás miatti hosszú telep élettartam. A GPRS/UMTS/LTE (GSM/3G/4G) modulok egy sor olyan szolgáltatást támogatnak, melyre IoT eszközök nem tartanak igényt, ilyen a hangkommunikáció, az SMS szolgáltatás és a szélessávú internet hozzáférés. Ezek elhagyásával a hardver egyszerűsödik, ami kihat az eszközök árára és a fogyasztás is minimalizálható. Ahhoz, hogy az NB-IoT technológia használható legyen néhány dolgot meg kell vizsgálni az eszközzel kapcsolatban:

• A lefedettségi viszonyok lehetővé teszik-e a technológia alkalmazását? (Van-e lefedettség, elegendő-e a térerősség a szenzor elhelyezési pontján?)

• Ellenőrizni kell a forgalmi profilt, hogy mekkora sűrűséggel, milyen mennyiségű adat feltöltésére, illetve letöltésére (parancsok, frissítések) van szükség.

• Ki kell számolni, hogy a fogyasztás alapján várható elem élettartam fedi-e az alkalmazás által támasztott követelményeket, illetve ez alapján kell meghatározni az alkalmazott energiatárolási technológiát (Lítium elem, kapacitás, kisülési karakterisztika). Amennyiben nagy pillanatnyi áramfelvételek várhatóak (cellakeresés, többszöri kapcsolódás ismétlés), érdemes a lítium elemmel párhuzamostan kapcsolt szuperkondenzátort alkalmazni, ami segít azonnali energiaimpulzussal ellátni a modulunkat, mialatt a lítium elem depasszivációs folyamata tart.

A fenti tényezők kölcsönhatása miatt általában kompromisszumra van szükség, vagy az elem elvárt élettartamában kell engedményt tenni, vagy drágább, nagyobb méretű tápellátást kell választani.

 

 

Összefoglalásként elmondható, hogy a piaci trendek az IoT eszközök ugrásszerű növekedése irányába mutatnak, és ezek kommunikációjára az NB-IoT technológia alkalmazása a következő években megkerülhetetlen lesz. A T-Systems felismerte ezt és Magyarországon elsőként vezette be NB-IoT szolgáltatását, mely 2017 novembere óta Budapesten teljes lefedettséggel áll rendelkezésre, a fejlesztések folyamatosan zajlanak.

A Deutsche Telekom Németország nagyvárosaiban mára elérhetővé tette ezt a szolgáltatást és a világon elsőként Hollandiában országos lefedettséget kínál. Az Endrich beszállítóival közösen komponens oldalról igyekszik ezt a piaci trendet kiszolgálni, szenzorjaink negyven éve jól ismertek, és most GSM modul gyártó partnerünkkel a FiboCom vállalattal együtt az NB-IoT világába is beléptünk.

 

 

A technológia népszerűsítésére az Electronica 2018 kiállításon Münchenben a T-Systems-el együttműködve kidolgoztunk és bemutattunk egy NB-IoT alapú rendszert, mely a Panasonic népszerű GridEye hőelem-mátrixos 64 pixeles mini hőkameráját, mint szenzort a dolgok internetébe integrálja. A hőmérsékleteloszlási adatokat a Fibocom M910 háromsávos (CATM1, NB1 és GPRS) modulja segítségével a német NB-IoT hálózaton keresztül különböző cloud szerverekre továbbítjuk, ahol gondoskodunk az adatok vizuális megjelenítéséről, illetve a hőeloszlási kép megalkotásáról is.

Az egyik ilyen felhőalapú szolgáltatást a T-Systems budapesti szervere nyújtja, ahol a hőkamera egyes pixelei által mért hőmérsékletértékek átlagát és egy NTC-vel mért környezeti hőmérséklet-adatot jelenítünk meg. Az Endrich által üzemeltetett cloud szerver a hőmérséklet adatokat pixelenként fogadja, és előállítja a hőmérsékleteloszlási képet, melyet internet böngészőn keresztül a vásári látogatók internetképes okostelefonjain, illetve a helyszínen lévő nagyméretű kioszk kijelzőn lehetett megtekinteni.

 

A T-Systems szerverét választva az adatokat szövegesen láthatjuk

 

A kommunikáció a T-Systems ajánlásai alapján nem TCP/IP, hanem UDP átviteli protokollon keresztül zajlik, mert így a fejlécek kisebb mérete folytán csökken az adatmennyiség, és az elmaradó hibaellenőrzések miatt a sebesség is nagyobb. Az adatbiztonságot segíti elő az is, hogy az adatokat csak a cél IP címre (szerverre) lehet elküldeni. Az NB-IoT a SIM alapú hitelesítése és a hosszú (128-256 bit) rejtjelezési kulcs használata miatt magas biztonsági szintet képvisel.

 

Amennyiben az Endrich saját alkalmazásszerverét választjuk adatfeldolgozásra, a hőkép egy internet böngészőn keresztül bármilyen internethez kapcsolt eszközön megtekinthető

 

A vezérlést egy panel PC-n futó Windows alapú szoftver biztosítja. Kiválasztható a használni kívánt felhőszolgáltatás, és az ország szerinti APN. A szenzor soros porton (USB) kapcsolódik a számítógéphez és a pillanatnyi hőeloszlási kép vizuálisan jelenik meg, valamint kiemelten látható a környezeti hőmérsékletnél melegebb objektum (pl. ember) mintázata. A szintén USB-n kapcsolódó GSM modemet egy, a programba beépített terminálemulátoron keresztül AT parancsokkal vezéreljük, így építve fel a kapcsolatot az APN-nel, alakítva ki az UDP socketet az alkalmazásszerverhez, és irányítva az adatokat ezen a csatornán keresztül az adatbázis felé.

 

Cikkünk az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH közreműködésével készült. Szerzője Belovai Beáta, NB-IoT/IoT Solution Sales Manager T-Systems Magyarország, és Kiss Zoltán Kelet-Európai értékesítési vezető, kiemelt nemzetközi ipari kapcsolatokért felelős vezető, Endrich GmbH.
 
Értékesítési iroda: H-1188 Budapest, Kölcsey u. 102/A.
 
E-mail: z.kiss@endrich.com
 
Web: www.endrich.com
 
További konzultációért és mintákért, adatlapokért keresse Kiss Zoltánt!

 

Túl magas volt az ólomtartalom
A Continental éveken keresztül a megengedettnél magasabb ólomtartalmú alkatrészekkel értékesítette egyes elektronikai készülékeit. A szabálytalanságra a cég maga derített fényt és június elején önként jelentette az illetékes hatóságnál.
Digitalizáció igény szerint
A hazai cégek is folyamatosan keresik a technológiaváltás lehetőségeit, vagyis hogyan tudnának megfelelni a digitális gyártás kihívásainak - mondta Alcsuti Bálint a Komax Thonauer Kft. értékesítési vezetője.
Hatszáz millió forinttal gyújtotta be tíz startup rakétáit az OXO Labs
Gyárak termelési adatai alapján hatékonyságot javító mobil alkalmazás, hatvan nap alatt felépíthető rezsimentes otthon, készpénzmentes fizetési megoldás, új generációs munkahelyi kommunikációs alkalmazás, e-sport tréner.
HyperWorks 2019 - már elérhető a legfrissebb verzió
Az Altair a HyperWorks 2019 verziójában egyesíti a tervezői, a mérnöki és a gyártással foglalkozó csapatok munkáját, ezáltal felgyorsítva a fejlesztési ciklusokat.
Átszervezésre készül a Thyssenkrupp is
Romló eredménye tükrében tevékenysége átszervezésére és elbocsátásokra készül a német Thyssenkrupp acél- és gépipari konszern.