W dobie powszechnych smartfonów i ery 5G Internet Rzeczy, czyli IoT staje się standardem. Chcemy mieć dostęp do informacji, wykorzystywać dane do polepszania bezpieczeństwa, do kontroli naszych domów i zakładów pracy. Nie zawsze jednak wiemy z jakich technologii warto korzystać i czy już to jest dobry moment na zmiany. W poniższym artykule postaramy się przybliżyć jakie obecnie mamy standardy w IoT i wskazać nowe trendy.

Wymagania IoT

Na początku warto postawić pytanie jakie są w ogóle założenia IoT? Termin ten głównie dotyczy zdalnych odczytów z sensorów i wszelkiego rodzaju modułów pomiarowych, które mogą cyklicznie przekazywać dane za pośrednictwem infrastruktury sieci lokalnej lub Internetu. Ważną cechą takich urządzeń jest autonomiczna, niezależna od innych systemów praca. Przekłada się to na możliwość zasilania bateryjnego oraz działanie w trybie czuwania. Właśnie ze względu na takie restrykcyjne wymogi co do zużycia energii, w systemach IoT rzadko przesyłamy dane w pakietach nie większych niż 2kB. Natomiast bardzo dużą ich zaletą jest komunikacja bezprzewodowa, szybkie nawiązywanie łączności i długi zasięg transmisji.

Standardy komunikacyjne

Pierwszą kwestią z jaką musimy się zmierzyć przy wyborze rozwiązań IoT są standardy komunikacyjne. Możemy podzielić je na starsze rozwiązania kablowe, oparte na sieci szeregowej lub Ethernet, oraz coraz bardziej rozwijane systemy bezprzewodowe. W tej dziedzinie wyróżniamy już dobrze znany interfejs Wi-Fi, zapewniający dużą prędkość transmisji do 600 Mb/s w paśmie częstotliwości 2.4GHz lub 5GHz. Problemem jest tu jednak stosunkowo niewielki dystans, słaba przenikalność przez przeszkody oraz duże jak na IoT zużycie energii. Przy takich ograniczeniach zastosowanie tej technologii w terenie często staje się niemożliwe.

ZigBee

Pierwsze próby rozwiązania powyższych problemów pojawiły się w sieciach ZigBee, które oparte zostały o pasmo 2.4Ghz i standard IEEE 802.15.4. Sieć ta ma topologię siatki, co pozwala uzyskać duży zasięg oraz wysoką niezawodność, przy przełączaniu punktów. Maksymalny dystans bezpośredniej komunikacji pomiędzy dwoma węzłami sieci wynosi kilkaset metrów a szybkość transmisji do 250 kbit/s. W praktyce znalazł on zastosowanie w zakresie instalacji inteligentnych budynków, gdzie mamy wiele rozproszonych punktów i jest wymagana komunikacja bezprzewodowa.

LoRa & SigFox

Jeszcze lepsze podejście reprezentują technologie oparte na sygnałach radiowych, które pracując w pasmach 868MHz zapewniają dłuższy dystans transmisji i lepszą przenikalność przez przeszkody. Przykładem jest tutaj coraz częściej stosowany standard LoRa, który dzięki niewielkiemu zużyciu energii i możliwości hibernacji doskonale wpasowuje się do zastosowań IoT. W takich systemach mamy dużo większy zasięg, nawet do kilkunastu kilometrów i możliwość pracy bateryjnej w okresie kilku lat. Ograniczeniem jest mała prędkość transmisji (0.3-50kbps) oraz możliwość wysyłania pakietów co kilka sekund, ale w takich zastosowaniach jest to jak najbardziej akceptowalne. Warto wspomnieć, że są to sieci otwarte, także ich użytkowanie nie wiąże się opłatami abonentowymi.

Znajdują zastosowanie zarówno w sieciach publicznych jak i bardziej zamkniętych sieciach prywatnych. Coraz częściej wykorzystuje się je w sensorach do pomiaru temperatury i wilgotności, drgań i wielu innych parametrów. Można korzystać z nich w modułach sterujących, do sygnalizacji przekroczenia poziomu czy sprawdzania stanu wejścia. Dzięki dobrej przenikalności doskonale sprawdzą się w powierzchniach magazynowych oraz zakładach produkcyjnych, gdzie dodatkowo mamy szereg wewnętrznych zakłóceń elektromagnetycznych.

Zbliżonym, bardziej znanym na zachodzie przykładem tego standardu jest sieć radiowa SigFox, która ma podobne podstawy co LoRa, ale działa na zasadach komercyjnego abonamentu. Wiąże się to tylko z zakupem odpowiedniego nadajnika-sensora, bez konieczności tworzenia własnej infrastruktury odbiorczej. Niestety w naszym regionie szkielet takiej sieci jest bardzo słabo rozwinięty, co w tej chwili eliminuje jego zastosowanie.

Technologie komórkowe 5G

Oprócz technologii radiowych możemy korzystać ze standardów komórkowych LTE czy powstających 5G. Ich główną zaletą są znacznie większe szybkości transmisji, ale wiąże się to też ze znacznym zużyciem energii, często zbyt dużym dla zastosowań IoT. Niemniej na rynku pojawiły się już dedykowane wersje LTE Narrowband oraz Cat. M1, które mają spełniać założenia Internetu Rzeczy. W tej chwili, mimo deklaracji różnych operatorów, nie mają one jeszcze należytego pokrycia na terenie Polski i nie są jasne ich zasady abonentowe. Należy jednak przypuszczać, że będą się one dynamicznie rozwijać wraz z sieciami 5G .   

Inne technologie

Warto jeszcze wspomnieć o sieciach krótkiego zasięgu takich jak Bluetooth, NFC oraz RFID, które też mają zastosowanie w IoT.

Bluetooth to jeden z najbardziej znanych standardów pracujących w paśmie w 2.4 GHz. Ma stosunkowo duże prędkości transmisji do 3Mb/s, ale raczej niewielki zsiąg rzędu kilkunastu metrów. Jest powszechnie stosowany w urządzniach komórkowych, w myszkach optycznych, słuchawkach bezprzewodowych, głośnikach itp. W przypadku rozwiązań przemysłowych mamy aktualnie niewiele urządzeń wykonawczych dostępnych na rynku. Dużą nadzieję rokuje najnowsza wersja Bluetooth v5, która zapewnia podobne prędkości, ale znacząco zwiększa zasięg do 150 metrów. 

W RFID mamy do czynienia z rodzajem elektronicznej etykiety działającej najczęściej z niskimi częstotliwościami 125kHz (LF) i komunikującą się z czytnikiem lub dedykowaną bramą. Dużą ich zaletą jest zasilanie pasywne, które korzysta z pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez bramę. Zasięg takich rozwiązań jest niewielki i z reguły nie przekracza jednego metra (jest uzależniony od wielkości użytego tagu oraz bramki odczytującej). Ich główne zastosowanie ma miejsce w handlu (metki) i logistyce do śledzenia obiektów przemysłu 4.0. Wersje z wyższymi częstotliwościami i zasilaniem aktywnym mają możliwość wykorzystania jako sensory z zasięgiem do kilku metrów.

NFC to standard zbliżony do RFID z tą różnicą, że może on funkcjonować zarówno jako nadajnik jak i odbiornik. W takie strukturze układy mogą wymieniać informacje pomiędzy sobą. Ze względu na krótki zasięg, rzędu kilkunastu centymetrów,  NFC znajduje głównie zastosowanie w newralgicznych, zbliżeniowych systemach płatniczych o krytycznym znaczeniu. W tej chwili obsługują go wszystkie nowe smartfony, które mogą zostać powiązane z usługą Google Pay, Apple Pay czy też z aplikacjami bankowymi i posłużyć do wykonywania płatności przez telefon, tak jak kartą płatniczą.

Na koniec można jeszcze wspomnieć o standardach Z-Wave, 6LoWPAN, Thread, WirelessHART, ale ze względu na znikomy ich udział na rynku nie będę ich szczegółowo opisywał.

Protokoły komunikacyjne

Drugim ważnym krokiem przy doborze rozwiązania IoT jest protokół komunikacji. W automatyce przemysłowe królują ciągle protokoły do komunikacji wewnętrznej, gdzie mamy wysoki poziom zabezpieczeń sieci, ale same dane nie są należycie zabezpieczane. W przypadku lokalnej komunikacji może nie stanowi to problemu, ale powoduje znaczne zagrożenie, gdy chcemy przeprowadzić transmisje w sieciach publicznych czy do zdalnych serwerów chmurowych, przy wykorzystaniu Internetu.

Modbus

Pierwszym, bardzo dobrze znanym i ciągle popularnym protokołem jest Modbus, który jest stosowany zarówno w sieciach szeregowych w wersji RTU jak i Ethernet w wersji TCP. Starszy Modbus/RTU jest powszechnie wykorzystywany do komunikacji pomiędzy sterownikami a urządzeniami pomiarowymi czy wykonawczymi. Opracowany pierwotnie przez firmę Modicon stał się standardem przyjętym przez większość znanych producentów sterowników przemysłowych i sprzętu pomiarowego. Należy do rodziny protokołów typu master-slave, w których tylko jedno urządzenie (jednostka nadrzędna – master) może inicjować transakcje, a pozostałe (jednostki podrzędne - slave) odpowiadają jedynie na zdalne zapytania mastera. Transakcja składa się z polecenia (query) wysyłanego z jednostki master do slave oraz odpowiedzi przesyłanej zwrotnie, zawierającej odpowiedź w postaci danych lub potwierdzenie realizacji polecenia. Wyjątkiem są pakiety rozgłoszeniowe typu broadcast przeznaczone dla wszystkich jednostek podrzędnych w sieci, na które jednostki slave nie przesyłają żadnej odpowiedzi. Przesyłane w obydwie strony wiadomości zorganizowane są w postaci ramek o ściśle określonych polach. Sama transmisja odbywa się na dwóch liniach DATA+ i DATA- oraz GND na dystansie do 1200 metrów. Master odpytuje odpowiednio zaadresowany Slave przez nadany ID i określony rejestr z danymi. Wartości w rejestrze mogą być zarówno odczytywane jak i nadpisywane, także protokół może służyć do kontroli pomiarów jak i wysterowania procesów. Częstotliwość pomiarów nie jest tutaj duża i wynosi do 100Hz. Jedynym zabezpieczeniem w transmisji jest liczona suma kontrolna, która musi być identyczna w wysyłanej jak i odbieranej przez Mastrea ramce. Dużą zaletą tego standardu jest prostota implementacji, bo wymagany jest dowolny 2-3 żyłowy przewód.

W podobny sposób działa standard Modbus/TCP opary o sieć Ethernet. W tym przypadku mamy inny kształt ramki z danymi, w której zrezygnowano z sumy kontrolnej na rzecz nagłówka MBAP. Komunikacja odbywa się również na zasadzie master-slave, ale z tą różnicą, że do jednego slave może być podpiętych wielu masterów jednocześnie. Taka sytuacja nie może mieć miejsca w wersji Modbus/RTU. Zasięg standardu uzależniony jest od samej sieci Ethernet i może wynosić od 100 metrów do wielu kilometrów w przypadku sieci światłowodowych. Szybkość pomiarów nie jest oszałamiająca i wynosi standardowo 10/100 pomiarów na sekundę. Nie ma tu też specjalnych zabezpieczeń poza tymi występującymi w samej sieci Ethernet. Jest to standard powszechnie używany w automatyce przemysłowej, ale działającej lokalnie, bo ze względu na brak odpowiednich zabezpieczeń nie za bardzo nadaje się do udostępniania przez Internet. Oczywiście jest to jak najbardziej możliwe ze względu na sam charakter struktury ramki TCP, ale dane mogą być w łatwy sposób odczytane lub podsłuchiwane.

Szczegółowy opis działania protokołu Modbus na przykładzie modułów ADAM znajduje się na poniższych stornach.

Protokół Modbus/RTU, czyli komunikacja na łączu szeregowym RS-485 w modułach ADAM

Protokół Modbus/TCP, czyli komunikacja w sieci Ethernet z modułami ADAM i nie tylko

RESTful Web API

Representational State Transfer (REST) to architektura powszechnie przyjęta w aplikacjach IoT, oparta o protokół HTTP i wykorzystująca komendy GET, POST, PUT, DELETE do udostępniania lub pobierania informacji ze stron internetowych czy zdalnych serwerów. REST używa też identyfikatora URI do identyfikacji położenia danych, co w prosty sposób umożliwia nam odczytywanie wartości z danych urządzeń. Przez przykładowy adres  “http://10.0.0.1/analoginput/ch0” uzyskamy wartość kanału analogowego 0 w bezprzewodowym module WISE-4012. W takiej strukturze nie musimy dysponować dodatkowymi narzędziami, bo wystarczy nam sama przeglądarka internetowa. Dodatkowo, dzięki rozbudowanym elementom w technologii „canvas” możemy stworzyć całkiem przyjazne narzędzie do dynamicznej wizualizacji naszych procesów. Na poniższej stronie opisaliśmy jak to zrobić w praktyce na przykładzie modułu pomiarowego ADAM-6217.

Wykorzystanie serwera WWW w module ADAM-6217

LoraWAN

Pierwsze co przychodzi mi na myśl to pytanie czym właściwie różni się LoRa od LoRaWAN? Najprościej mówiąc LoRa to standard sieci a LoRaWAN to protokół, który jest w tej sieci wykorzystywany. Jak już wiemy, sieć LoRa ma swoją specyfikę i jej podstawowymi zaletami jest długi zasięg i niskie zużycie energii. Taką samą rolę musi pełnić protokół LoRaWAN, dedykowany do rozwiązań Internetu Rzeczy. Jest to system otwarty i zapewnia możliwość współpracy z różnymi producentami i różnymi rozwiązaniami. Dzięki niemu możemy stosować wiele niezależnych czujników, które będą obsługiwane przez jedną, wspólną bramę w czasie rzeczywistym. Gwarantuje też bezpieczną komunikacje, opartą na szyfrowaniu punkt-punkt z przypisanymi kluczami 128 bitowymi.

AMQP (Advanced Message Queuing Protocol)

AMQP to rozwijany od kilku lat protokół do komunikacji z platformami chmurowymi. Jego opracowaniem zajmowała się grupa światowej klasy firm, w efekcie czego powstał niezawodny i cyberbezpieczny protokół do obsługi komunikatów pomiędzy nadawcą a odbiorcą przez Internet. Pakiety danych są w nim starannie kodowane binarnie i są obejmowane zaawansowanym systemem kontroli przepływu, który ma na celu zwiększenie bezpieczeństwa i wydajności. W tej chwili jego głównymi użytkownikami są duże systemy bankowe oraz Azure Service Bus, który udostępnia zestaw bibliotek SDK do bezpośredniej komunikacji z chmurą Microsoft.

SNMP

SNMP (Simple Network Management Protocol) to protokół pierwotnie opracowany do monitorowania ruchu w sieci Ethernet. Najprościej mówiąc, jest to zbiór komend rozsyłanych przez jednostkę nadrzędną (managera) do agentów, w celu zdobycia informacji o ich aktualnym stanie. W ten sposób możemy śledzić poziomy obciążenia sieci, zbierać dane o powodzeniu lub błędach transmisji, czy wreszcie wykrywać potencjalne awarie. Jego zastosowanie znajduje również miejsce w rozwiązaniach IoT, w których możemy odczytywać przykładowo wartość z danego sensora czy stan z wejścia cyfrowego. Jego zaletą jest powszechna znajomość w świecie IT i możliwość szybkiego wdrożenia w istniejące systemy monitoringu sieci.

MQTT

Jest to standard wprowadzony w 1999 roku przez firmę IBM na potrzeby wewnętrzne, który został  ustandaryzowany w 2013 roku. Z założenia jest on przeznaczony do sieci rozproszonych urządzeń  wykonawczych i dlatego idealnie nadaje się do zastosowań IoT. Komunikacja w takiej sieci odbywa się pomiędzy wieloma nadawcami (publisherami) a wieloma odbiorcami (suscybentami) za pośrednictwem bramy pośredniczącej, czyli brokerem. Wiadomości są rozróżniane w brokerze na podstawie nadawanego w widomości topic name a następnie są szyfrowane (SSL/TLS) i wysyłane do odbiorcy. Ważną cechą MQTT jest mechanizm QoS z różnymi poziomami zabezpieczeń, który daje możliwość przesyłania potwierdzeń pomiędzy odbiorcą a nadawcą i w ten sposób daje pewność dostarczenia informacji. Jest to protokół o małej przepustowości (0.3-50kbps), ale zapewnia zdalny dostęp i komunikacje wielu sensorów z wieloma urządzaniami. Dzięki funkcji uśpienia (niskie zużycie energii) idealnie nadaje się do rozwiązań IoT takich jak sensory obecności, pomiar temperatury, czy do różnego rodzaju elementów wykonawczych.

OPC UA

Jeszcze trochę innym rozwiązaniem jest standard OPC / OPC UA, który tak naprawdę jest otwartym systemem do wymiany informacji pomiędzy różnymi platformami przemysłowymi. OPC UA jest niezależny od producentów sprzętowych i umożliwia komunikację na zasadzie klient / serwer, gdzie serwerem jest dowolne urządzenie końcowe zgodne z tym standardem a klientem oprogramowanie do zbierania danych, takie jak SCADA. Jest to system, który może łączyć różnorodne urządzenia i pozwala na wymianę informacji w czasie rzeczywistym. Nie jest to jednak typowy protokół, bo wymaga korzystania z dedykowanych narzędzi do zbierania danych, pracujących na serwerach lub komputerach przemysłowych. Dzięki temu standard OPC UA zapewnia jednak tak ważne w dzisiejszych czasach cyberbezpieczeństwo. Jezeli chodzi o transmisję, to oparta jest ona web serwisy i protokół HTTP/HTTPS/SOAP lub binarne strumienie danych w postaci TCP. Do zabezpieczenia transmisji wykorzystywany jest standard WS-Secure Conversation lub mechanizmy opracowane na bazie WS-SC i TLS.

Co dalej – Podsumowanie

Przyszłość IIoT jest stricte powiązana z nowymi technologiami i obszar ten bez wątpienia będzie dynamicznie się rozwijał. Obecnie mamy silny trend powiązany z komunikacją z chmurą i cyberbezpiecznym przesyłaniem danych przez Internet. Ze względu na to powstają coraz to nowe protokoły i standardy, na których w dużej mierze opiera się świat Internet of Things. Wydaje się, że nową rewolucję może przynieść technologia 5G, ale tutaj nie ma jeszcze zbyt dużo wypracowanych rozwiązań technologicznych.

Odpowiadając na zadane na początku pytanie, które rozwiązanie najlepiej wybrać? Wszystko zależy od naszych potrzeb, ale jak widać jest już sporo dobrych rozwiązań na rynku i bez wątpienia można coś dla siebie wybrać. W którą stronę iść? Z naszej strony mamy szereg dostawców i grono ekspertów, którzy chętnie pomogą przy doborze sprzętu.

Napisz do nas na advantech@elmark.com.pl