Meer dan alleen wifi: standaard draadloze communicatie in IoT

1. Wat is IoT en hoe werkt het?
2. Welke communicatiestandaards gebruikt IoT?
3. IoT thuis en op het werk
4. Welke apparaten kunnen onderdeel worden van een IoT-netwerk?

De definitie van het Internet of Things is een digitaal netwerk dat gevormd wordt door voorwerpen die onderling verbonden zijn en tegelijkertijd een netwerk vormen dat verbonden is met de fysieke wereld. Het begrip werd voor het eerst gebruikt door Kevin Ashton, een Britse ondernemer die in 1999 met IoT is begonnen. Met andere woorden, Internet of Things kan worden beschreven als apparaten die met elkaar verbonden zijn en gegevens kunnen verzamelen, analyseren en delen met andere apparaten. Een voorbeeld is een intelligent ventilatie- en verwarmingssysteem in een groot bedrijf. Sensoren overal in het gebouw kunnen gegevens verzamelen over de omgevingsomstandigheden tijdens productieprocessen maar ook in de kantoren en magazijnen. De ermee verbonden besturingseenheden van de ventilatie, infraroodradiatoren en ketels kunnen reageren op de verzamelde gegevens en in real-time hun parameters aanpassen zodat de temperatuur, luchtvochtigheid en zuurstof binnen de normen blijven.

Hoe werkt IoT?

Het IoT-ecosysteem is opgebouwd uit smartaparatuur met eenconcreet, meestal draadloos communicatietype. Denk hierbij aan microcomputers, sensoren en communicatieapparatuur voor het verzamelen, versturen en gebruiken van gegevens. IoT-apparatuur deelt de verzamelde gegevens en maakt verbinding met andere bovenliggende systemen ten behoeve van analyse en verwerking. Masterapparaten kunnen ook communiceren met overige gegevensverzamelaars en zo een enorm collectief IoT-systeem vormen. De apparaten die onderdeel uitmaken van het IoT-netwerk doen hun werk voor een groot deel zonder tussenkomst van mensen, hoewel interactie wel mogelijk is, bijvoorbeeld ten behoeve van configuratie, instructies of toegang tot gegevens.

Hoe communiceren IoT-apparaten met elkaar?

IoT-apparaten zijn meestal met elkaar verbonden via wifi. Dit is erg handig maar deze communicatiemethode is niet altijd de ideale oplossing. Soms bevindt een ingeschakeld apparaat zich niet binnen het bereik van een netwerk. Dan is een andere communicatievorm vereist. Daarom is het verstandig om naast de populairste communicatieprotocollen in IoT-netwerken ook minder bekende oplossingen te overwegen.

Wifi in IoT-installaties

IoT-apparatuur wordt op communicatiegebied gedomineerd door wifitechnologie. Een typische wifi-verbinding voor gegevensuitwisseling gebruikt radiogolven met een specifieke frequentie, meestal 2,4 en 5 GHz maar ook steeds vaker 6 GHz, goed voor een bandbreedte van maar liefst 1200 MHz. Wifi wordt meestal gebruikt door de meest geavanceerde onderdelen van het IoT-systeem zoals daar zijn smartphones, computers en microcomputers. De populairste modules die wifi ondersteunen zijn zonder twijfel ESP8266 en ESP32.

Bluetooth

Bluetooth is een van de meest gebruikte communicatieprotocollen met klein bereik. Apparatuur die communiceert via deze interface kan gegevens verzenden over een afstand van 1 tot wel 100 m, afhankelijk van de vermogensklasse. Deze eigenschap houdt strikt verband met het bereik en duidt op het uitgangsvermogen van de zender. Er bestaan drie vermogensklassen: klasse 1 van 100 mW (20 dBm), met een maximaal bereik van 100 m, klasse 2 van 2,5 mW (4 dBm), met een maximaal bereik van 10 m, klasse 3 van 1 mW (0 dBm), met een maximaal bereik van 1 m. Bluetooth is een standaardprotocol van het Internet der Dingen dat als gegevensdrager, net als in het geval van wifi, gebruik maakt van radiogolven (meestal met een frequentie van 2,4 GHz). Bluetooth is een relatief veilige communicatiestandaard die ideaal is voor mobiele oplossingen waarbij niet per se behoefte is aan een grote brandbreedte. Bluetooth wordt gekenmerkt door een klein bereik en vermogen. Ook noemenswaardig is BLE, oftewel [Bluetooth Low Energy]. Dit is een energiezuinige versie van het Bluetoothprotocol die met name populair is in de IoT-branche, hoofdzakelijk in kleine apparatuur op batterijvoeding.

Ethernet

IoT is dus meer dan alleen draadloze communicatie. IoT-apparaten kunnen voor communicatie ook gebruik maken van algemeen bekende bekabelde verbindingen zoals Ethernet. Dit is niet de meest comfortabel oplossing omdat het apparaat moet worden aangesloten op een kabel, wat soms onhandig kan zijn. Er zijn echter plekken waar een nieuw IoT-netwerk op basis van deze communicatiestandaard juist veel makkelijker is. Denk daarbij aan grotere bedrijven en fabrieken die vaak al in een eerder stadium zijn uitgerust met bekabelde netwerken. Om het bedrijf te moderniseren kan eenvoudig IoT-apparatuur worden geïmplementeerd op basis van ethernetverbindingen.

NFC

Een ander communicatieprotocol voor IoT is NFC. Dit is een netwerk met geringe bandbreedte en vermogen, dat wordt gebruikt om gegevens uit te wisselen over korte afstanden, meestal zo’n 4 cm. Daarom wordt dit communicatietype gebruikt in specifieke situaties en omstandigheden, bijvoorbeeld voor contactloos betalen. NFC kan ook worden gebruikt voor toegangscontrolesystemen als onderdeel van een groter IoT-netwerk.

Zigbee

ZigBee is een protocol voor gegevensverzending dat lijkt op Bluetooth. Het wordt hoofdzakelijk onder industriële omstandigheden gebruikt. Ook hierbij wordt voor gegevensverzending gebruik gemaakt van radiogolven met een frequentie van 2,4 GHz. Zigbee wordt gekenmerkt door een laag stroomverbruik, kleine bandbreedte (tot 250 kbps) en een behoorlijk groot bereik tot wel 100 m. Hoewel Zigbee al relatief oud is, blijft het ideaal voor IoT-toepassingen. Hierbij moet gewezen worden op de mesh-topologie waar Zigbee op gebaseerd is. Dit betekent dat het netwerk eenvoudig in constructie en onderhoud is omdat de apparaten direct en op een dynamische en niet-hiërarchische manier met elkaar verbonden zijn. Met andere woorden: elk apparaat is verbonden met de andere apparaten die binnen bereik zijn, waardoor het netwerk zichzelf organiseert.

Mobiele telefonie

IoT-apparaten kunnen gegevens verzenden via de mobiele radionetwerken GSM, 4G/LTE en 5G. Dit is vooral gewenst wanneer we informatie willen versturen over grote afstanden. Onthoud echter dat mobiele transmissie nogal veel stroom kost. Daarom moet bij het ontwerpen van dit type IoT-oplossingen worden gezorgd voor permanente toegang tot voeding of moet de communicatie qua tijd worden beperkt . Dit maakt een mobiel netwerk ongeschikt voor real-timesystemen. Mobiele netwerken hebben echter één groot voordeel: het bereik. De dankzij providers van mobiele netwerken aanwezige IoT-apparatuur die gebruik maakt van deze oplossing kan op bijna elke plek worden geplaatst.

LoRaWAN

LoRaWAN is een van de populairste IoT-technologieën, die vooral gericht is op apparaten waarbij energieverbruik een rol speelt. Dit protocol wordt gekenmerkt door een laag stroomverbruik en lage verzendsnelheid (0,3 tot 50 kbs). Implementatie van LoRaWAN-technologie is vooral aan te bevelen in kleine, eventueel mobiele apparaten op batterijvoeding. Dat kunnen bijvoorbeeld [waterniveausensoren] in een dagbouwgroeve zijn. De over het hele terrein verspreide apparaten zijn verbonden met een centrale basis die zich op wel enkele kilometers afstand kan bevinden. Deze communicatie is vaak eenrichtings, wat betekent dat de sensor gegevens naar de basis stuurt, meestal enkele keren per dag. Helaas kunnen er met deze oplossing geen live gegevens worden bekeken. Wel wordt er dankzij de terreinsensoren aanzienlijk minder energie verbruikt en is batterijvoeding mogelijk.

Sigfox

Een van de interessantste IoT-oplossingen is de communicatiestandaard Sigfox, die lijkt op LoRaWAN, hoewel er toch belangrijke verschillen zijn. Sigfox kan gegevens ontvangen van grote aantallen apparaten, die niet permanent aangesloten hoeven te zijn op een netwerk. De terreinapparatuur stuurt kleine hoeveelheden gegevens met per frame maximaal 26 byte. Voor de communicatie wordt gebruik gemaakt van radiofrequentie. In Europa en het Midden-Oosten is dit 868 MHz en in Noord-Amerika 902 MHz Een van de grote voordelen van Sigfox is dat de apparaten niet permanent in verbinding staan met een basisstation maar gegevens de ether in sturen waardoor ze worden ontvangen door de basis die op dat moment binnen bereik is. Bovendien is de werking van Sigfox cloudgebaseerd, wat inhoudt dat alle berekeningen worden uitgevoerd door centrale eenheden. Terreinapparatuur heeft enkel tot taak om gegevens te verzamelen van sensoren en naar een netwerk te sturen, waardoor weinig energie nodig is werking op batterijen mogelijk is.

Z-Wave

Dit is een opkomende draadloze IoT-communicatiemodule voor thuisautomatiek. Z-Wave is een radiocommunicatietechnologie met een laag stroomverbruik en een werkingsbereik onder de 1 GHz. Er kunnen maximaal 232 apparaten tegelijk worden bediend. De technologie is vooral gericht op automatische thuisapparatuur zoals smartlampen en -sensoren.

Gebruik van IoT-apparatuur

Het Internet der Dingen helpt mensen efficiënt en comfortabel te leven en werken. Dit soort apparaten kunnen voor bijna elk aspect van ons leven worden ingevoerd. Thuis creëer je eenvoudig een systeem van intelligente sensoren en uitvoeringsapparaten met spraakbediening. Je kunt nu met één opdracht het licht aandoen, de rolluiken sluiten of de temperatuur in huis verlagen.

IoT is ook buitengewoon nuttig voor de industrie. Naast het eerder genoemde beheer van omgevingsomstandigheden in het gebouw kan het Internet of Things bijvoorbeeld ook dienen tot het controleren van productieprocessen of beheren van de logistiek in het magazijn. Een goed opgezet IoT-systeem verschaft precieze controle over alles wat er in de fabriek gebeurt; de efficiëntie van machines, downtime, leveringsketens, logistieke operaties… Al deze gegevens kunnen worden verzameld en opgeslagen om de zakelijke activiteiten nog verder te optimaliseren.

Wat kan er allemaal onderdeel zijn van IoT?

Bijna elk apparaat kan onderdeel van IoT zijn; je fantasie is de enige limiet. Alles kan smart zijn op zijn eigen manier: Intelligente sensoren die gegevens versturen naar de cloud en aangestuurd worden door een thermostaat, camera’s waarvan de beelden kunnen worden bekeken vanaf de andere kant van de wereld, lampen die licht geven dat van kleur kan worden veranderd met een horloge.  De wereld van IoT wordt alsmaar groter en nu al zijn er volgens gegevens meer dan 20 miljard apparaten actief. Eén ding is zeker: dit aantal zal alleen maar toenemen.

De tekst is opgesteld door Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o