ภาพรวมของเทคโนโลยีไร้สายสำหรับ IoT

Internet of Things (IoT) เป็นทั้งที่รู้จักและไม่รู้จักในโลกสมัยใหม่ เป็นคำทั่วไปสำหรับบุคคลในอุตสาหกรรมเทคโนโลยีและโลกองค์กร แต่ไม่ค่อยมีใครได้ยินจากคนทั่วไปแม้ว่าจะเป็นส่วนหนึ่งในชีวิตประจำวันของพวกเขาก็ตาม IoT คือการเชื่อมต่อของวัตถุทางกายภาพ เช่น อุปกรณ์ยานพาหนะ, อาคาร, อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และเครือข่ายที่ช่วยให้สามารถโต้ตอบรวบรวมและแลกเปลี่ยนข้อมูลได้ ใช้กับสิ่งต่าง ๆ นับล้านรวมถึงผลิตภัณฑ์ดั้งเดิมที่อัปเดตก่อนหน้านี้ที่ไม่ได้เชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ต

บทความนี้จะพิจารณาถึงวิธีต่าง ๆ ที่อุปกรณ์เหล่านี้สามารถสื่อสารแบบไร้สายได้

สามวิธีในการรับข้อมูลเข้าสู่ระบบคลาวด์

ความท้าทายอย่างหนึ่งของ IoT คือการรับข้อมูลจากเซ็นเซอร์ของอุปกรณ์ไปยังระบบคลาวด์ซึ่งข้อมูลนั้นจะถูกใช้ประมวลผลและจัดเก็บ การใช้งาน Wi-Fi และบลูทูธ อย่างแพร่หลายผ่านสมาร์ทโฟนพร้อมกับความพร้อมใช้งานของเสาสัญญาณและจุดเชื่อมต่อ Wi-Fi สาธารณะทำให้สามารถเข้าถึงคลาวด์สำหรับเซ็นเซอร์ IoT ได้มากขึ้นกว่าเดิม มีสามวิธีพื้นฐานในการรับข้อมูลไปยังระบบคลาวด์

เซ็นเซอร์ไปยังเกตเวย์สู่คลาวด์ ในบางแอปพลิเคชันควรส่งข้อมูลเซ็นเซอร์ไปยังเกตเวย์ซึ่งจะส่งข้อมูลไปยังระบบคลาวด์อย่างมีประสิทธิภาพ ขึ้นอยู่กับความต้องการของแอปพลิเคชันเกตเวย์อาจมีตั้งแต่ระบบรีเลย์ธรรมดาไปจนถึงแพลตฟอร์ม “อัจฉริยะ” ที่ทำหน้าที่ที่ต้องใช้การประมวลผลมากกว่าที่เรียกว่า “การประมวลผลแบบขอบ” อุปกรณ์เช่นเซ็นเซอร์ที่จอดรถและเซ็นเซอร์การใช้งานโต๊ะมักจะอาศัยเกตเวย์ในการส่งข้อมูล Wi-Fi เป็นตัวอย่างของเกตเวย์ สำหรับการใช้งานในบ้านคุณต้องติดตั้งเกตเวย์ Wi-Fi ในสถานที่สาธารณะที่มีการติดตั้งเกตเวย์ไว้แล้ว Wi-Fi จะทำงานโดยตรงไปยังระบบคลาวด์ การสื่อสารไร้สายประเภทอื่นเช่นบลูทูธต้องใช้เกตเวย์ ตัวอย่างของ Wi-Fi ในบ้านคือ Hatch Baby Grow แผ่นรองเปลี่ยนอัจฉริยะและเครื่องชั่งที่เชื่อมต่อ ใช้ Wi-Fi เพื่อส่งข้อมูลจากเครื่องชั่งในแผ่นเปลี่ยนไปยังอินเทอร์เน็ตที่บ้าน ผู้ปกครองและกุมารแพทย์สามารถติดตามข้อมูลบนคลาวด์ผ่านแอปพลิเคชัน Android หรือ iOS

เซ็นเซอร์ไปยังโทรศัพท์มือถือไปยังระบบคลาวด์ ในบางกรณีเกตเวย์อาจเป็นโทรศัพท์มือถือ สมาร์ทโฟนที่มีความสามารถ Wi-Fi หรือบลูทูธ ทำหน้าที่เป็นเกตเวย์ในการส่งข้อมูลไปยังคลาวด์ ตัวอย่างเช่น Voler ช่วยในการพัฒนาเอียร์บัดที่ใช้ตรวจสอบการทรงตัวของผู้สูงอายุ พวกเขามีการส่งแบบไร้สาย Bluetooth LE ไปยังสมาร์ทโฟนที่มีแอพที่เกี่ยวข้อง ข้อมูลจะถูกส่งไปยังคลาวด์จากสมาร์ทโฟนซึ่งสามารถประมวลผลเพิ่มเติมและสามารถแชร์ข้อมูลได้

อุปกรณ์อัจฉริยะไปยังคลาวด์โดยตรง เซ็นเซอร์สามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับคลาวด์โดยใช้เทคโนโลยี เช่น NB-IoT, LTE-M หรือ LoRa เทคโนโลยีเหล่านี้ส่งข้อมูลเป็นระยะทางไกลโดยใช้พลังงานต่ำมากตราบใดที่อัตราข้อมูลต่ำ พวกเขาเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตผ่านอุปกรณ์ที่มักติดตั้งที่เสาสัญญาณ พวกเขาทำงานในลักษณะเดียวกับโทรศัพท์มือถือยกเว้นอัตราข้อมูลและพลังงานจะต่ำกว่ามาก มีค่าใช้จ่ายรายเดือน แต่โดยทั่วไปจะมีค่าใช้จ่ายน้อยมาก

ปัจจัยที่ต้องพิจารณาในการวางแผนกลยุทธ์การสื่อสารไร้สาย IoT ได้แก่ ปริมาณข้อมูลที่จะถ่ายโอนแหล่งข้อมูลจากอินเทอร์เน็ตต้องใช้พลังงานเท่าใดและค่าใช้จ่ายในการให้บริการสูงเพียงใด (ถ้ามี) การใช้สมาร์ทโฟนอย่างแพร่หลายและการเลือกใช้มาตรฐาน Wi-Fi หรือวิทยุบลูทู ธ ให้การเชื่อมต่อที่สะดวกสบายมาก มาตรฐานใหม่กว่าเช่น NB-IoT และ LTE-M เปิดทางเลือกเพิ่มเติมสำหรับ Internet of Things ในอนาคต

เหตุใดจึงจำเป็นต้องมีเทคโนโลยีใหม่ ๆ

IoT ยังคงพัฒนาอยู่ การทำซ้ำทุกครั้งทำให้การใช้พลังงานลดลงการสื่อสารไร้สายที่ยาวนานขึ้นและคุณสมบัติที่ดีขึ้น อุปกรณ์ใหม่สามารถใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีใหม่และให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้น

สิ่งที่ควรพิจารณาสำหรับการแลกเปลี่ยน

ทุกครั้งที่ Voler ออกแบบอุปกรณ์สวมใส่หรืออุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่ลูกค้าต้องการให้:

• ดำเนินกิจการมาเป็นเวลานาน
• ส่งข้อมูลจำนวนมากเป็นระยะทางไกล
• มีแบตเตอรี่ขนาดเล็ก

มีการแลกเปลี่ยนกับข้อกำหนดการแข่งขันเหล่านี้ วิศวกรรมเป็นเรื่องเกี่ยวกับการแลกเปลี่ยน พิจารณาการทำงานของระบบที่จำเป็นและทำการแลกเปลี่ยนทางวิศวกรรมที่จำเป็นเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดตามข้อกำหนดของระบบ สิ่งสำคัญคือต้องมอบประสบการณ์การใช้งานที่น่าพึงพอใจในเวลาเดียวกัน ผลลัพธ์ที่ได้คือการออกแบบที่มีการประนีประนอมที่ดีที่สุดในตัวเลือกมากมาย

ข้อควรพิจารณาในการแลกเปลี่ยน

Voler เพิ่งทำงานร่วมกับสตาร์ทอัพ ปรับปรุงอายุการใช้งานแบตเตอรี่ ของผลิตภัณฑ์ที่เชื่อมต่อ มันขึ้นอยู่กับของ MurataimpModule ™ ด้วยแขน® โปรเซสเซอร์และตัวรับส่งสัญญาณ Wi-Fi พวกเขาต้องการอายุการใช้งานแบตเตอรี่เป็นเวลาหลายสัปดาห์และใช้เวลาไม่ถึงหนึ่งสัปดาห์หลังจากการสร้างต้นแบบ Voler แก้ไขรหัสเพื่อให้สอดคล้องกับอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่จำเป็น รหัสเดิมไม่ทำงานตามที่ตั้งใจไว้

ในการส่งแบบไร้สายต้องมีการจัดการสามสิ่ง: กำลังไฟฟ้าที่ต้องใช้ในการส่ง อัตราข้อมูล และช่วงการส่งข้อมูล การเลือกมาตรฐานไร้สายที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญ โปรดดูตารางด้านล่างเมื่อเลือกมาตรฐานไร้สายสำหรับอุปกรณ์ IoT ที่กำลังออกแบบ ตารางนี้แสดงรายการมาตรฐานไร้สายทั่วไปที่ใช้สำหรับอุปกรณ์ IoT พร้อมทั้งคุณลักษณะต่าง ๆ

ตารางที่ 1: มาตรฐานไร้สายทั่วไปและความสามารถ (ที่มาของตาราง: Voler)

มาตรฐานไร้สายที่แตกต่างกันต้องการระดับพลังงานที่แตกต่างกันมาก พลังงานที่ต้องการขึ้นอยู่กับอัตราข้อมูลและช่วงของการส่งข้อมูล ตัวอย่างเช่นอ้างถึงตารางที่ 1 อุปกรณ์อาจต้องใช้พลังงาน 120 mW ในการส่งข้อมูล 100 บิตต่อวินาทีหนึ่งกิโลเมตรโดยใช้ LTE Cellular แต่การใช้ Bluetooth LE ในการส่งสัญญาณ 1 เมตรอุปกรณ์อาจต้องการพลังงานเพียง 0.15 mW

การเปรียบเทียบมาตรฐานไร้สาย IoT

ตารางที่ 2: การเปรียบเทียบมาตรฐาน IoT ไร้สาย (ที่มาของตาราง: Voler)

ข้อกำหนดด้านพลังงานสำหรับตัวเลือกไร้สายยอดนิยม

หากจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ในการส่งข้อมูลได้ไกลถึง 10 เมตร BLE และ Bluetooth ก็เพียงพอแล้ว แต่อุปกรณ์ IoT สำหรับวัตถุประสงค์ทางอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์ เช่น การจัดการสินค้าคงคลัง หรืออุปกรณ์ที่สวมใส่ได้สำหรับการตรวจสอบสุขภาพอาจต้องใช้การสื่อสารระยะยาว เช่น NB-IoT หรือ LTE-M หากอุปกรณ์ส่งข้อมูลจำนวนมากเช่นกล้องวิดีโอ BLE จะไม่สามารถจัดการได้ ต้องมีตัวเลือกพลังงานสูงเช่น Wi-Fi และ LTE

ในทางกลับกันโปรโตคอลไร้สายเซลลูลาร์ NB-IoT และ LTE-M อนุญาตให้อุปกรณ์ IoT ส่งข้อมูลไปยังสถานที่ห่างไกลโดยใช้พลังงานต่ำ เช่นเดียวกับ SigFox ซึ่งสามารถส่งข้อมูลได้ไกลถึง 50 กิโลเมตร แต่แตกต่างจากมาตรฐานเซลลูลาร์ที่มีอัตราข้อมูลสูง SigFox สามารถส่งข้อมูลได้สูงสุด 300 บิตต่อวินาทีเท่านั้น

เครือข่ายส่วนตัวกับเครือข่ายสาธารณะ

เครือข่ายส่วนตัวมีเกตเวย์ที่ติดตั้งและควบคุมโดยผู้ให้บริการสำหรับผู้ใช้หนึ่งรายหรือจำนวนจำกัด เครือข่ายสาธารณะมีเกตเวย์ที่ผู้ใช้จำนวนมากสามารถใช้ได้โดยจ่ายค่าบริการรายเดือน ตัวอย่างคือบริการเซลลูลาร์

เครือข่ายสาธารณะจำเป็นต้องติดตั้งโครงสร้างพื้นฐาน เช่น เสาสัญญาณ โทรศัพท์มือถือเป็นที่นิยมและสามารถสัญจรได้ง่ายเนื่องจากมีการติดตั้งเสาสัญญาณกันอย่างแพร่หลาย SigFox และ LoRa มีโครงสร้างพื้นฐานที่จำกัด ในสหรัฐอเมริกาดังนั้นอุปกรณ์ที่ใช้เทคโนโลยีนี้จะไม่ทำงานในสถานที่ส่วนใหญ่ LoRa มีตัวเลือกของเครือข่ายส่วนตัวโดยใช้เกตเวย์

ในปี 2019 การติดตั้งโครงสร้างพื้นฐานสำหรับ NB-IoT และ LTE-M ผ่านจุดที่ครอบคลุม 90% ของประชากรในสหรัฐอเมริกา ใกล้ความพร้อมใช้งานของการครอบคลุมเครือข่ายมือถือ แม้ว่าจะผ่านมาหลายปีแล้วก็ตามในที่สุดเทคโนโลยีนี้ก็สามารถนำมาใช้ในอุปกรณ์ใหม่ ๆ ได้ โครงสร้างพื้นฐานมีอยู่ในประเทศหลักส่วนใหญ่ในโลกเช่นกัน คาดว่าการใช้ NB-IoT และ LTE-M จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว Sigfox และ LoRa เป็นแนวทางเบื้องหลังในการติดตั้งโครงสร้างพื้นฐานสาธารณะ

ด้านล่างนี้คือข้อมูลสรุปของตัวเลือกระบบไร้สายส่วนตัวและสาธารณะ:

เอกชน

• ปลายทั้งสองของการสื่อสารเป็นของส่วนตัว
• สามารถติดตั้งได้ทุกที่
• สเปกตรัมที่ไม่มีใบอนุญาต
• ค่าใช้จ่ายในการติดตั้งสถานีฐานและอุปกรณ์ปลายทาง
• ไม่มีค่าบริการรายเดือน

สาธารณะ

• เครือข่ายที่เป็นของผู้ให้บริการ - ตัวอย่างเช่นเซลลูลาร์
• ใช้งานได้เฉพาะเมื่อมีสถานีฐานเท่านั้น
• โรมมิ่งง่าย
• สเปกตรัมที่ได้รับอนุญาต
• ค่าบริการรายเดือนสำหรับการใช้งานเครือข่าย

เทคโนโลยีแบตเตอรี่จะดีขึ้นเมื่อใด

หากแบตเตอรี่ดีขึ้นการแลกเปลี่ยนเหล่านี้จะง่ายขึ้น การกักเก็บพลังงานเคมีใกล้ถึงขีดจำกัดของประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตามมีงานวิจัยมากมายเกี่ยวกับความหนาแน่นที่สูงขึ้นและความปลอดภัยที่ดีขึ้น

หากแบตเตอรี่มีความก้าวหน้าเหมือนเซมิคอนดักเตอร์ในช่วง 50 ปีที่ผ่านมาคุณจะมีแบตเตอรี่ขนาดเท่าหัวเข็มหมุดซึ่งมีค่าใช้จ่ายเพียงเพนนีและจะจ่ายไฟให้กับรถของคุณ ไม่จำเป็นต้องพูดว่าเทคโนโลยีนั้นไม่ได้อยู่ใกล้จากระยะไกลและจะไม่มีวันเป็นเช่นนั้น ดังนั้นอุปกรณ์จึงถูกจำกัดด้วยพื้นที่ที่จำเป็นสำหรับการจัดเก็บพลังงานทางเคมี

แบตเตอรี่ในปัจจุบันเป็นแหล่งกักเก็บพลังงานเคมีขั้นสูงสุดประมาณ 10% ซึ่งจะเป็นน้ำมันเบนซิน อย่างไรก็ตามน้ำมันเบนซินมีปัญหาเรื่องความปลอดภัย อีกทางเลือกหนึ่งที่มีประสิทธิภาพมากกว่าคือพลังงานนิวเคลียร์ แต่จะมีปัญหาด้านความปลอดภัยอีกครั้งที่ไม่ต้องพูดถึงปัญหาการพกพา จะมีการปรับปรุงแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นในอนาคต แต่การเปลี่ยนแปลงจะช้า

การพิจารณาค่าใช้จ่าย

ผู้ผลิตอุปกรณ์ IoT หลายรายไม่ลงทุนด้านความปลอดภัยเพื่อให้ผลิตภัณฑ์ของตนมีราคาไม่แพงและเร่งเวลาออกสู่ตลาด การบูรณาการความปลอดภัยระหว่างขั้นตอนการพัฒนาสามารถเพิ่มต้นทุนและเวลาให้กับการพัฒนาได้อย่างมาก อย่างไรก็ตามการสร้างอุปกรณ์ IoT ที่มีการรักษาความปลอดภัย IoT ที่อ่อนแออาจส่งผลให้เกิดความเสียหายมากขึ้นไม่เพียง แต่กับลูกค้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงแบรนด์ของผู้ผลิตด้วยในแง่ของผลผลิตที่หายไปค่าปรับทางกฎหมาย/การปฏิบัติตามข้อกำหนดชื่อเสียงที่เสียหายและการสูญเสียทางการเงิน

มาตรฐานไร้สายที่เลือกใช้สำหรับอุปกรณ์ IoT สามารถส่งผลต่อประสิทธิภาพการใช้งานความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือได้อย่างมาก มาตรฐานที่เหมาะสมที่สุดสำหรับอุปกรณ์ IoT ขึ้นอยู่กับการใช้งาน การทราบวัตถุประสงค์ของอุปกรณ์สามารถช่วยกำหนดข้อกำหนดหลักในการสร้างได้เช่นปริมาณพลังงานที่ต้องใช้เพื่อให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพควรส่งข้อมูลได้เร็วเพียงใดและแบตเตอรี่ต้องใช้งานได้นานเพียงใด

ทีมผู้เชี่ยวชาญด้านการพัฒนาอุปกรณ์ IoT ของ Voler System สามารถแนะนำนักออกแบบผ่านการเลือกมาตรฐานไร้สายที่เหมาะสมสำหรับเครื่อง IoT ติดต่อผู้เชี่ยวชาญด้าน IoT เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการเลือกมาตรฐานไร้สายที่เหมาะสมสำหรับการออกแบบอุปกรณ์ IoT ใด ๆ