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

30.04.2018

Ринок індустрії 4.0, Internet of Things (IoT) і Industrial Internet of Things (IIoT) буде продовжувати розвиватися в 2018 році, як прогнозують аналітики ринку галузевої (читать далее)

27.04.2018

Всесвітня торгова ярмарка Embedded World відбулася в 15-й раз з 27 лютого по 1 березня 2018 року в Нюрнберзі. Як завжди, не обійшлося без (читать далее)