Langaton teknologia esineiden internetissä

Esineiden internet on modernissa maailmassa sekä tunnettu että tuntematon asia. Teknologia-alan ja yritysmaailman ihmiset tuntevat termin hyvin, mutta ”tavalliset” ihmiset kuulevat siitä harvemmin, vaikka se muodostaa osan heidän päivittäistä elämäänsä. IoT tarkoittaa fyysisten esineiden – kuten laitteiden, ajoneuvojen, rakennusten, elektroniikan – välisiä yhteyksiä ja niiden vuorovaikutuksen, datan keräämisen ja datan jakamisen mahdollistavia verkkoja. Se koskee miljoonia eri asioita, myös sellaisten perinteisten tuotteiden päivitettyjä versioita, jotka eivät ole aiemmin olleet yhteydessä internetiin.

Tässä artikkelissa käsitellään eri tapoja, joilla nämä laitteet voivat viestiä keskenään langattomasti.

Kolme tapaa saada data pilveen

Yksi esineiden internetin haasteista liittyy datan saamiseen laitteen anturista pilveen, jossa dataa käytetään, käsitellään ja säilytetään. Langattoman lähiverkon ja Bluetoothin jatkuva käyttö älypuhelimissa ja matkapuhelinmastojen sekä julkisten langattomien verkkojen yhteyspisteiden laaja saatavuus tarjoavat IoT-antureille paremmat pilviyhteydet kuin koskaan aiemmin. Datan voi saada pilveen kolmella perusmenetelmällä.

Anturista yhdyskäytävän kautta pilveen. Joissakin sovelluksissa paras ratkaisu on anturidatan lähettäminen yhdyskäytävään, joka välittää datan tehokkaasti pilveen. Sovelluksen tarpeista riippuen yhdyskäytävä voi olla yksinkertainen relejärjestelmä tai ”älykäs” alusta, joka suorittaa enemmän laskentatehoa vaativia toimintoja ”pilven reunalla”. Pysäköintialueiden anturien ja työpisteiden varauksen ilmaisevien anturien kaltaisten laitteiden data siirretään yleensä yhdyskäytävien kautta. Esimerkiksi langaton lähiverkko on yksi yhdyskäytävä. Kotikäyttöä varten täytyy vain asentaa langattoman lähiverkon yhdyskäytävä. Langaton lähiverkko toimii suoraan yhteydessä pilveen julkisissa tiloissa, joissa yhdyskäytävä on jo asennettu. Muut langattoman tiedonsiirron menetelmät, kuten Bluetooth, tarvitsevat yhdyskäytävän. Kotona langatonta lähiverkkoa käyttävästä laitteesta esimerkiksi käy Hatch Baby Grow, älykäs vaipanvaihtoalusta, jossa on myös vaaka. Se siirtää vaipanvaihtoalustan vaakadatan langattoman lähiverkon välityksellä kodin internetiin. Vanhemmat ja lastenlääkäri voivat seurata pilveen tallennettuja tietoja Android- tai iOS-sovelluksella.

Anturista matkapuhelimen kautta pilveen. Joissakin tapauksissa älypuhelin voi toimia yhdyskäytävänä. Langattomalla lähiverkolla tai Bluetoothilla varustetut älypuhelimet toimivat yhdyskäytävinä, joiden kautta data lähetetään pilveen. Esimerkiksi Voler on auttanut kehittämään ikääntyneiden tasapainon seurantaan käytettäviä nappikuulokkeita. Ne siirtävät datan langattomasti Bluetooth LE ‑yhteydellä älypuhelimeen, johon on asennettu tarvittava sovellus. Älypuhelin lähettää datan myös pilveen, jossa sitä voidaan käsitellä edelleen ja jakaa.

Älylaitteesta suoraan pilveen. Anturi voi olla yhteydessä suoraan pilveen esimerkiksi NB-IoT-, LTE-M- tai LoRa-teknologian avulla. Näillä teknologioilla voi siirtää dataa kilometrikaupalla hyvin pienellä tehontarpeella, kunhan tiedonsiirtonopeus on alhainen. Ne muodostavat yhteyden internetiin yleensä matkapuhelinmastoihin asennettujen laitteiden kautta. Toimintaperiaate muistuttaa pitkälti matkapuhelinliikennettä, mutta tiedonsiirtonopeus ja tehontarve ovat huomattavasti pienemmät kuin puhelinliikenteessä. Käytöstä veloitetaan yleensä hyvin pieni kuukausimaksu.

Langattoman IoT-tiedonsiirtostrategian valinnassa kannattaa pohtia esimerkiksi siirrettävän datan määrää, datalähteen etäisyyttä internetistä, tehontarvetta ja mahdollisia palvelumaksuja. Älypuhelinten laaja käyttö ja mahdollisuus valita käyttöön joko langaton lähiverkko tai Bluetooth-yhteys tarjoavat hyvin kätevän tavan yhteyden muodostamiseen. NB-IoT:n ja LTE-M:n kaltaiset uudemmat standardit tuovat esineiden internetin tulevaisuuteen uusia mahdollisuuksia.

Miksi uusia teknologioita tarvitaan?

IoT kehittyy yhä edelleen. Jokaiseen kehitysvaiheeseen liittyy pienempi tehonkulutus, pidempi langaton tiedonsiirtomatka ja parempia ominaisuuksia. Uudet laitteet voivat käyttää uutta teknologiaa ja tarjota paremman suorituskyvyn.

Mitä valintojen tekemisessä on otettava huomioon

Aina kun Voler suunnittelee puettavan laitteen tai minkä tahansa paristokäyttöisen laitteen, asiakkaat odottavat, että se:

• toimii pitkään
• siirtää paljon ja kauas
• käyttää pikkuriikkistä paristoa.

Näiden keskenään kilpailevien vaatimusten kesken joudutaankin tekemään kompromisseja. Suunnittelutyö on juuri kompromissien tekemistä: siinä täytyy ottaa huomioon järjestelmältä vaaditut toiminnot ja tehdä tarvittavat kompromissit järjestelmän vaatimusten mukaisen ihanteellisen suorituskyvyn tarjoamiseksi. Samanaikaisesti on tärkeää tarjota asiakasta tyydyttävä käyttäjäkokemus. Lopputulos on lukuisista vaihtoehdoista kootut parhaat kompromissit.

Vaihtoehtoiset vaatimukset

Voler paransi hiljattain erään startup-yrityksen kanssa pariston kestoaeräässä verkkoyhteydellisessä tuotteessa. Tuote perustui Muratan impModule™-moduuliin, joka käytti Arm®-prosessoria ja langattoman lähiverkon lähetin-vastaanotinta. Pariston kestovaatimus oli useita viikkoja, mutta prototyyppivaiheen jälkeen oli päästy vasta alle yhden viikon kestoon. Voler muokkasi koodia niin, että tarvittu akun kesto saavutettiin. Alkuperäinen koodi ei toiminut toivotulla tavalla.

Langattomassa tiedonsiirrossa on hallittava kolmea asiaa: lähetystehoa, tiedonsiirtonopeutta ja siirtomatkaa. Oikean langattoman standardin valinta on tärkeä ratkaisu. Seuraavassa taulukossa on ohjeita langattoman standardin valintaan IoT-laitteen suunnittelussa. Taulukossa esitetään IoT-laitteissa yleisesti käytettävät langattomat standardit sekä niiden ominaisuudet.

Taulukko 1: Yleiset langattomat standardit ja niiden ominaisuudet. (Taulukon lähde: Voler)

Langattomien standardien tehontarve vaihtelee suuresti. Tarvittava teho riippuu tiedonsiirtonopeudesta ja lähetysmatkasta. Taulukosta 1 käy esimerkiksi ilmi, että LTE-matkapuhelinverkkoa käytettäessä laite saattaa tarvita 120 mW tehoa 100 databitin lähettämiseen sekunnissa yhden kilometrin päähän. Bluetooth LE ‑yhteydellä tiedonsiirtoon 1 metrin päähän tarvitaan kuitenkin vain 0,15 mW tehoa.

IoT:n langattomien standardien vertailu

Taulukko 2: IoT:n langattomien standardien vertailu. (Taulukon lähde: Voler)

Suosittujen langattomien tiedonsiirtoratkaisujen tehontarpeet

Jos laitteella tarvitsee siirtää dataa enintään 10 metrin päähän, BLE ja Bluetooth riittävät. IoT-laitteita käytetään kuitenkin teollisuudessa ja kaupassa esimerkiksi varastonhallinnassa tai terveyden seurantaan käytettävissä puettavissa laitteissa. Silloin tarvittava tiedonsiirtomatka saattaa olla pidempi, ja standardiksi on valittava esimerkiksi NB-IoT tai LTE-M. Jos laite – esimerkiksi videokamera – lähettää paljon dataa, BLE ei pysty käsittelemään datamäärää, vaan on käytettävä langattoman lähiverkon ja LTE:n kaltaisia tehokkaita vaihtoehtoja.

Soluverkkoon perustuvilla langattomilla protokollilla, kuten NB-IoT ja LTE-M, puolestaan voidaan siirtää IoT-laitteiden dataa kauas pienellä tehontarpeella. Sama pätee myös SigFox-teknologiaan, joka pystyy siirtämään dataa jopa 50 kilometrin päähän. Toisin kuin suurta datanopeutta käyttävissä matkapuhelinstandardeissa, SigFoxin tiedonsiirtonopeus on vain enintään 300 bittiä sekunnissa.

Yksityinen vs. julkinen verkko

Yksityisen verkon yhdyskäytävän on asentanut ja sitä hallitsee palveluntarjoaja, joka tarjoaa yhteyden yhdelle käyttäjälle tai rajalliselle määrälle käyttäjiä.  Julkisen verkon yhdyskäytävää voi kuukausimaksulla käyttää suuri määrä käyttäjiä. Esimerkiksi matkapuhelinverkko on tällainen palvelu.

Julkisia verkkoja varten on rakennettava infrastruktuuria, kuten matkapuhelinmastoja. Matkapuhelimet ovat suosittuja ja mahdollistavat helpon liikkumisen, koska puhelinmastoja on paljon. SigFox- ja LoRa-teknologioille on asennettu Yhdysvalloissa infrastruktuuria vain rajallisesti, joten näitä teknologioita käyttävä laite ei toimi useimmissa paikoissa. LoRa-teknologiassa on mahdollista käyttää myös yksityistä verkkoa ja yhdyskäytävää.

NB-IoT- ja LTE-M-teknologioiden infrastruktuurin asennukset ylittivät vuonna 2019 pisteen, jossa 90 % Yhdysvaltojen asukkaista oli näiden verkkojen piirissä. Niiden saatavuus lähestyy siis matkapuhelinverkon tilannetta. Tätä jo vuosikausia sitten keksittyä teknologiaa voidaan siis viimein käyttää uusissa laitteissa. Infrastruktuuri on rakennettu myös useimpiin muihin maailman suurimpiin maihin. NB-IoT- ja LTE-M-teknologioiden käytön voikin odottaa lisääntyvän nopeasti. Sigfox ja LoRa ovat selvästi jäljessä yleisen infrastruktuurin asentamisessa.

Seuraavassa on yhteenveto yksityisistä ja julkisista langattomista tiedonsiirtomahdollisuuksista:

Yksityinen

• tiedonsiirron kumpikin pää on yksityisomistuksessa
• voidaan asentaa minne tahansa
• lisensoimaton taajuusalue
• tukiasemien ja päätepisteiden asentaminen aiheuttaa kustannuksia
• ei kuukausimaksua.

Julkinen

• palveluntarjoajan omistama verkko, kuten matkapuhelinverkko
• toimii vain tukiasemien alueella
• verkkovierailu helppoa
• lisensoitu taajuusalue
• verkon käytöstä peritään kuukausimaksu.

Milloin akku/paristoteknologia paranee?

Valintoja olisi helpompi tehdä, jos akut/paristot olisivat parempia. Energian kemiallisen varastoinnin rajat alkavat tulla vastaan. Suurempaa tiheyttä ja parempaa turvallisuutta tutkitaan kuitenkin runsaasti.

Jos akkujen kehitys olisi viimeisten 50 vuoden aikana edennyt samaan tapaan kuin puolijohteiden, autoon riittäisi nuppineulan pään kokoinen akku, joka maksaisi ehkä yhden sentin. Teknologia ei selvästikään ole läheskään tässä pisteessä, eikä se saavuta sitä koskaan. Energian kemialliseen varastointiin tarvittava tila rajoittaakin laitteiden kokoa.

Akkujen ja paristojen suorituskyky on nykyään noin 10 prosenttia siitä, mitä energian kemiallinen varastointi voi olla tehokkaimmillaan, esimerkiksi bensiinissä. Bensiiniin liittyy kuitenkin turvallisuusongelmia. Toinen tehokkaampi vaihtoehto on ydinenergia, mutta siihenkin liittyy turvallisuusongelma – kannettavuusongelmasta puhumattakaan. Akut ja paristot kehittyvät tulevaisuudessa asteittain, mutta muutos etenee hitaasti.

Kustannukset

Monet IoT-laitevalmistajat säästelevät turvallisuusominaisuuksissa, koska ne haluavat valmistaa kohtuuhintaisia tuotteita ja nopeuttaa tuotteiden tuontia markkinoille. Turvallisuuden ottaminen huomioon jo kehitysvaiheessa voi lisätä kehityskustannuksia ja siihen kuluvaa aikaa huomattavasti. Jos IoT-laitteiden IoT-turvallisuus on heikko, seuraukset voivat kuitenkin olla erittäin haitallisia sekä asiakkaiden että valmistajan brändin kannalta – tappioita voi syntyä tuottavuuden menetyksestä, oikeudellisista ja säädösvaatimusten täyttämiseen liittyvistä kustannuksista, mainehaitoista ja rahallisista tappioista.

IoT-laitteeseen valittu langaton standardi voi vaikuttaa huomattavasti sen suorituskykyyn, käytettävyyteen, turvallisuuteen ja luotettavuuteen. Tietylle IoT-laitteelle parhaiten sopiva standardi vaihtelee sovelluksen mukaan. Laitteen käyttötarkoituksen tietäminen voi auttaa hahmottamaan tärkeimpiä sitä koskevia vaatimuksia, kuten paljonko tehoa se vaatii toimiakseen kunnolla, mikä on tarvittava tiedonsiirtonopeus sekä tarvittava akun/pariston kesto.

Voler Systemsin IoT-laitekehitystiimin asiantuntijat auttavat suunnittelijoita valitsemaan IoT-laitteilleen sopivan langattoman standardin. Ota yhteyttä IoT-asiantuntijaan nyt ja kuule lisää oikean langattoman standardin valinnasta minkä tahansa IoT-laitteen suunnittelussa.