Об’єднуючи пристрої: Wi-Fi, Вluetooth, Z-Wave, ZigBee, Wireless RF

17.12.2016

Об’єднуючи пристрої: Wi-Fi, Вluetooth, Z-Wave, ZigBee, Wireless RF

У статті наводиться огляд і порівняльний аналіз найпоширеніших стандартів зв’язку для мереж IoT, а також розглянуті тенденції розвитку існуючих технологій.

Останнім часом світовий ринок IoT (Інтернету речей) динамічно розвивається і сьогодні налічує приблизно 12 млрд «розумних» пристроїв. На думку експертів, в найближчі роки він буде тільки рости, зокрема, консалтингова група M2M – Machina Research прогнозує, що до 2024 року в світі з’явиться близько 27 млрд M2M-підключень.

Ось чому питання про те, як елементи IoT будуть пов’язані між собою, є ключовим для подальшого розвитку даного напрямку. На сьогодні він залишається відкритим, оскільки існує безліч стандартів бездротових мереж, що дозволяють передавати дані і володіють певними перевагами. Але жодна з мереж не може повністю задовольнити всі запити розробників і споживачів. В результаті ми спостерігаємо високий ступінь фрагментації ринку Інтернету речей.

Звичайно, в одній статті дуже складно описати всі існуючі протоколи, тому зупинимося на найбільш поширених діючих технологіях – Wi-Fi, Вluetooth, Z-Wave, ZigBee і Wireless RF.

 

Wi-Fi

Wi-Fi (від англ. Wireless Fidelity) – локальна бездротова мережева технологія, яка дозволяє електронним пристроям підключатися до мережі, зазвичай на частоті 2,4 і 5 ГГц ISM-радіодіапазоні. Технологія розвивається Wi-Fi Alliance на базі стандарту IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11. Основний недолік технології полягає у високому рівні енергоспоживання. Якщо для пристроїв, постійно підключених до електромережі, це допустимо, то для мініатюрних засобів радіочастотної ідентифікації – недоцільно. Причина в тому, що акумулятори пристроїв, які могли б працювати роками, при використанні Wi-Fi дуже швидко сідають. Уявіть собі, наскільки незручно міняти батарейки в датчиках, особливо якщо вони встановлені не в маленькій квартирі, а в будівлі великого промислового заводу, що займає велику площу.

Переваги Wi-Fi:

  • широке поширення в світі;
  • висока швидкість передачі даних;
  • гарантія сумісності;
  • високий рівень надійності.

Недоліки Wi-Fi:

  • інтерференція і перешкоди;
  • висока енергоємність;
  • ряд проблем з безпекою;
  • відмінність діапазону для різних країн;
  • для багатьох країн необхідна наявність реєстрації мереж Wi-Fi, що працюють поза приміщеннями.

 

Вluetooth

Bluetooth Low Energy (BLE) є бездротової персональної мережевою технологією, розробленою Bluetooth Special Interest Group. Ця технологія добре підтримується і застосовується в основному на коротких відстанях – до 10 м. Крім обмежень в діапазоні сигналу, має певні норми за кількістю пристроїв, що підключаються і не дозволяє об’єднувати їх в мережу. Відповідно, ці фактори знижують цінність Bluetooth для технологій «Інтернету речей».

Переваги BLE:

  • широке поширення в світі;
  • висока швидкість передачі даних;
  • висока надійність.

Недоліки BLE:

  • деякі проблеми з аутентифікацією і приватних даних;
  • місцезнаходження пристрою не визначається;
  • обмеження за кількістю пристроїв, що підключаються.

ZigBee

ZigBee – специфікація мережевих протоколів верхнього рівня, регламентованих стандартом IEEE 802.15.4, який з’явився в 2003 році. ZigBee і IEEE 802.15.4 описують бездротові персональні обчислювальні мережі (WPAN, wireless personal area networks).

Даний протокол функціонує за принципами самоорганізується і самовідновлювальні ячеистой топології: відомості передаються на великі відстані за рахунок поділу довгого маршруту на серію коротких. На практиці це виглядає так: «розумні» пристрої посилають сигнал по ланцюжку, і, якщо одне з них випадає, система може самоорганізуватися і побудувати альтернативний маршрут. Протокол розрахований на додатки, для яких не настільки важливі швидкість передачі даних і можливість тривалої автономної роботи, але потрібен високий рівень безпеки.

Переваги ZigBee:

  • здатність до самоорганізації і самовідновлення;
  • простота розгортання;
  • висока стійкість до перешкод;
  • високий рівень безпеки;
  • неліцензованому частоти;
  • низьке енергоспоживання (в тому числі режим сну для пристроїв).

Недоліки ZigBee:

  • невисока швидкість;
  • велика частина трафіку витрачається безпосередньо на передачу пакетів;
  • недостатньо високий рівень стандартизації і відсутність єдиної програмно-апаратної платформи для розробки складних додатків.

 

Z-wave

Z-Wave – запатентований бездротової протокол зв’язку, що діє в діапазоні частот до 1 ГГц і призначений для передачі простих керуючих команд з малими затримками. В основі рішення Z-Wave лежить система, що самоорганізується чарункова мережа (mesh-мережу), в якій кожен вузол або пристрій може приймати і передавати сигнали інших пристроїв мережі, використовуючи проміжні сусідні вузли.

Оскільки Z-Wave функціонує на частоті 868/869 МГц (в залежності від країни вона може змінюватися), яка не співпадає з частотою Wi-Fi і Bluetooth, це знижує ризики виникнення перешкод і збоїв в системі. Для порівняння: ZigBee може працювати на цій частоті далеко не завжди, і, як правило, технологія працює на частоті Wi-Fi і Bluetooth – 2,4 ГГц. Відстань між двома пристроями у Z-Wave – не більше 30 м.

Переваги Z-Wave:

  • здатність до самоорганізації і самовідновлення;
  • простота розгортання;
  • висока стійкість до перешкод;
  • висока безпека;
  • частоти не потрібно ліцензувати;
  • відсутність інтерференції з численними пристроями на 2,4 ГГц;
  • низьке енергоспоживання.

Недоліки Z-Wave:

  • невисока швидкість;
  • для рішень за участю більш ніж 30 пристроїв Z-Wave стає дорожче, ніж кабельні системи;
  • платежі Sigma Designs як власнику технології.

 

Wireless RF

Бездротові радіодатчики (Wireless RF) і виконавчі механізми відрізняються ультранизьким енергоспоживанням. Дальність дії досягає 100 м в прямої видимості. Працюють вони зазвичай на частоті 315 або 433 МГц зі швидкістю 10-115,2 кбіт / с.

 

Новий погляд на бездротові технології

Всі розглянуті вище формати, безумовно, є робочими і дозволяють, так чи інакше, забезпечити зв’язок між пристроями. Вибір стандарту зв’язку, на мій погляд, в першу чергу залежить від завдань проекту. Проте все експертне співтовариство галузі IoT розуміє, що потрібно масштабна технологічна зміна для створення бездротового формату передачі даних майбутнього і забезпечення глобальної інтеграції пристроїв.

Найбільш успішні стандарти анонсують нововведення, і до кінця 2017 – початку 2018 роки ми побачимо розробки, які стануть проривом в галузі. Йдеться про бездротових технологіях Bluetooth 5.0 і Wi-Fi HaLow.

Творці Wi-Fi HaLow обіцяють, що їх нова технологія, заснована на протоколі IEEE 802.11ah, буде відрізнятися низьким енергоспоживанням, збільшить дальність дії бездротової мережі як мінімум удвічі, а також підвищить рівень безпеки та взаємодії між різними пристроями. Упевнений, що такі зміни дозволять значно розширити спектр пристроїв, що працюють на Wi-Fi, і застосовувати його для зв’язку мініатюрних виробів.

Костянтин Масленніков, Control Engineering

Статьи

11.09.2018

Промислові компанії все частіше впроваджують Інтернет Речей (IoT) у виробництво і сільське господарство. Таке масштабне підключення до Інтернет-протоколу (IP) створює не тільки багато можливостей (читать далее)

21.08.2018

Можливо, найбільш відома для криптовалюти технологія блокування може бути потужним інструментом для вбудованих систем. Відкладіть на мить Біткойн та розгляньте, що забезпечує блокування: перевірену, (читать далее)