Belovai Beáta – NB-IoT/IoT Solution Sales Manager T-Systems Magyarország ZRt., Kiss Zoltán - kelet-Európai értékesítési vezető Endrich GmbH.
A keskenysávú IoT technológia alkalmazása szenzorhálózatokhoz
2018 november 16.
Összefoglalás :
Az Endrich GmbH a 2018-as Electronica kiállításon Münchenben, a Deutsche Telekom és leányvállalata a T-Systems Magyarország támogatásával élő NB-IoT tesztrendszert állít üzembe, melyen egy egyszerű hőkamera képét továbbítja UDP porton keresztül egy alkalmazásszerverre, mely gondoskodik a hőeloszlás vizuális megjelenítésről az Interneten keresztül.
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, 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 LEFEDETTSÉG, A HOSSZÚ ELEM ÉLETTARTAM, A KIS ESZKÖZ KÖLTSÉG és a JÓ BELTÉRI VÉTELI TULAJDONSÁGOK.
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 a 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 és 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 bemutatunk 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-GL LTE CAT-NB1 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 felhő alapú 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 Internetböngészőn keresztül a vásári látogatók internetképes okostelefonjain, illetve a helyszínen lévő nagyméretű kioszk kijelzőn lehet megtekinteni. 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.
Az 7. ábrán látható a rendszer felépítése, a vezérlést egy panel PC-n futó Windows alapú szoftver biztosítja (5.ábra). Kiválasztható a használni kívánt felhő szolgáltatás, 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 (pld 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.
A T-Systems szerverét választva az adatokat szövegesen láthatjuk.
Amennyiben az Endrich saját alkalmazásszerverét választjuk adatfeldolgozásra, a hőkép egy internet böngészőn keresztül bármilyen internethez kapcsolt eszközön megtekinthető (4. ábra).
| Megosztás a Facebookon | Megosztás a LinkedIn-en |
Hivatkozások
A cikk megjelent az alábbi helyeken:
| # | Média | Link |
|---|---|---|
| 1 | Elektronet 2018/7 | Elektronet : elektronikai informatikai szakfolyóirat, 2018. (27. évf.) 7. sz. 24-27. old. |
| 2 | New Technology 2018/5 | 2018. 5.sz. 13-16.o. |
| 3 | English version | Live NB-IoT test system from Endrich on Electronica 2018 |
| 4 | South-East European Industrial Market 2018/2 | Live NB-IoT test system from Endrich on Electronica 2018 |
| 5 | Engineerlive | NB-IoT demonstration at Electronica 2018 |
| 6 | Elektronet online | A keskenysávú IoT-technológia alkalmazása szenzorhálózatokhoz |
| 7 | TechStory M2M | Keskenysávú IoT technológia alkalmazása szenzorhálózatokhoz |
| 8 | Jövő Gyára 2018/4 | 2018. 4.sz. 18-20.o. |
| 9 | All-Electronics | NB-IoT-Applikationen unter Live-Bedingungen testen |