6 דרכים כדי לשים את “I” ב”IoT”

אם אתה קורא מאמר זה באינטרנט, הסיכויים הם שאתה מחובר דרך סלולר, Wi-Fi או Ethernet. אמנם שיטות קישוריות אלה נפוצות באלקטרוניקה לצרכנים, אך צמתי הקצה של האינטרנט של הדברים (IoT) אינם כה קשורים אל אלה. שלא כמו צרכנים, התקני קצה לא בודקים דואר אלקטרוני (בני מזל!) או מתפנקים בצפייה בסרטים בזרימה, ולכן הם אינם צריכים את קצבי נתונים הגבוהים בהם משתמשים באלקטרוניקה לצרכנים.

פתרונות IoT כוללים לעתים קרובות מאות או אלפים של התקני קצה מחוברים. אילוצי עיצוב טיפוסיים, כגון עלות וניהול צריכת החשמל, גדלים ככל שמוסיפים עוד התקני קצה. בקנה מידה הזה, הצורה בה המוצר שלך מתחבר לאינטרנט יכול לקבוע האם הוא יצליח או ייכשל.

מדריך זה סוקר את הסוגים הנפוצים ביותר של שיטות חיבור בהם נעשה שימוש ביישומי IoT. נשקול את האופציות לפנינו ונקבע כיצד אתם רוצים לשים את ה”I” בפיתוח ה-IoT שלכם.

איור 1: האינטרנט של הדברים (IoT) מורכב ממאות או אלפי התקנים מחוברים לאותה רשת

1.      Ethernet

Ethernet מהווה דרך מהירה ואמינה לחבר דברים לאינטרנט. שכיח באוטומציה של מפעלים ובניינים, Ethernet מצטיין במערכות הכוללות צמתים רבים על אותה רשת.

משום שהחיבור דרך Ethernet הינו קבוע, זו גם שיטת קישוריות מאובטחת מאוד. יש גם אפשרות להזין את המכשיר במתח דרך כבל Ethernet באמצעות Power over Ethernet (PoE), המייתר את הצורך בספק כוח נפרד.

עם זאת, חיבור קבוע הינו אתגר תכנון משמעותי, ובוודאי אינו הגיוני לכל יישום. צמתים המחוברים דרך Ethernet חייבים להיות קרובים לנתב. גם ביישומים למרחקים קצרים, כגון אוטומציה של בניין או בית, החיבור דרך Ethernet כל כך מגושם שניהול והסתרה של החוטים קשים ביותר. בבניינים מודרניים, מערכות תאורה אוטומטיות מחוברות באופן קבוע במהלך בנייתם, אך התקנת מערכת IoT Ethernet בבניין שלא תוכנן לכך אינו אפשרי לעתים קרובות.

2.      Wi-Fi^®

בתור חיבור לאינטרנט הנפוץ ביותר, היותו Wi-Fi אלחוטי הוא מושך ביותר. הוא נתמך על ידי התקנים נפוצים ביותר ואין לו את מגבלות החיבור בחוטים של Ethernet.

למרות שהוא כל כך נפוץ, הוספת יכולת Wi-Fi לתכנון מוטבע היא בדרך כלל מורכבת. Wi-Fi הוא אטרקטיבי כי הוא מהיר ואלחוטי, אך תכונות אלה באות על חשבון פגיעויות אבטחה וצריכת חשמל. כתוצאה מכך, IoT מבוסס Wi-Fi דורש מי המהנדסים איזון עדין בין אבטחה, צריכת חשמל ועלות.

למרבה המזל, קיימים היום פתרונות המסייעים למהנדסים להתגבר על מכשולים אלה. באמצעות מודול Wi-Fi הממוטב ל-IoT אפשר לפשט את התכנון ולקצר זמן פיתוח. מודולים כמו WINC1500 הם בעלי אישור מלא, תומכים בפרוטוקולי אבטחה וממוטבים עבור התקנים המופעלים בסוללה, ומאפשרים קישוריות Wi-Fi מבלי להתפשר על עלויות וצריכת חשמל.

3.      רשת תקשורת מרחבית (LPWAN) בצריכת חשמל נמוכה

רשתות LPWAN נפוצות פחות במוצרי צריכה, ולכן ייתכן שהן לא כל כך מוכרות לך. חלק משמעותי של יישומי IoT הם ביישומי תקשורת מרחבית, כגון ניטור סביבתי.

היופי בשימוש IoT עבור ניטור סביבתי הוא בכך כי הוא מאפשר ניטור אזורים כפריים, ימיים ובלתי נגישים לרוב. הבעיה היא כי מקומות אלה כפריים, ימיים ובלתי נגישים לרוב. לא ניתן להטעין במהירות התקן צף בשקע מריאנה, או להתחבר לאינטרנט במדבר מוהאבי.

הטווחים האופייניים ל-LPWAN הם כנראה סביב 10 ק”מ. הנתונים מועברים באיטיות גדולה, אבל אלא אם פתרון ה-IoT שלך בודק דואר אלקטרוני וצופה בסרטים בזרימה, אתה כנראה לא תזדקק לחיבור מהיר.

בעוד שימושם נפוץ בחקלאות ויישומים מרחוק, ה-LPWAN אינם בלעדיים להם. השימוש העירוני הולך וגדל. אחת מהפריסות המסחריות הגדולות של IoT ב-LPWAN בצפון אמריקה משמשת כדי לעקוב אחר כלי רכב במגרשי מכירה פומבית.

יש שני פרוטוקולים LPWAN נפוצים: LoRaWAN™ (מ-Long Range, או LoRa ^®) ו-Sigfox. הבדל אחד בין שניהם הוא העלות. Sigfox הוא שירות במינוי והוא פועל באופן דומה לסלולרי. אם Sigfox זמין באזור שלך, ניתן להתחבר באמצעות מנוי אצל ספק מקומי. עם LoRaWAN, מפתחים יכולים להימנע מדמי מנוי על ידי יצירת רשת “עשה זאת בעצמך”, אך עדיין רובם בוחרים להשתמש בתשתית שער (gateway) מסוג LoRa של ספק רשתות מקומי ולשלם לפי שימוש.

4.      סלולרי

מלבד אזורים כפריים ונידחים במיוחד, הרשת הסלולרית מכסה את העולם. עבור מערכות מוטבעות הזקוקות לטווח זה, רשת סלולרית היא האפשרות היחידה, אולם זה יקר. חובה להשתמש בספק, ואי אפשר להקים רשת משלך ללא אישור ממשלתי. העלות של רכיבים מוטבעים ומינוים אצל הספק עבור כל צומת, גוברת לעתים קרובות על היתרונות של הטווח הגדול של הרשתות סלולריות.

אך חשוב להבדיל בין רשת סלולרית המשמשת לחיבור דברים, והחשבון המגיע פעם בחודש עבור הטלפון. רשתות סלולריות ספציפיות עבור IoT צצות כל הזמן כדי להתחרות ב-LPWAN. רשת סלולרית עבור IoT הנמצאת בצמיחה היא LTE CAT-M. ה-M כאן מסמלת “מכונה”, והיא אופציה במהירות, עלות והספק נמוכים יותר, ממוטבים עבור IoT. בעוד חשבון הנייד שלך עשוי להיות משמעותי, תכנית CAT-M היא בסביבות 7 דולר לחודש תמורת 5 MB נתונים. אפשרויות אחרות עבור חיבורי IoT סלולריים הם CAT-0, CAT-1 ו-NB-IoT החדיש יותר (NB פירושו “Narrow Band”, רוחב פס צר).

יש לצפות כי פריסת 5G תקדם חידושים ב-IoT. המהירויות הגבוהות יותר של 5G עשויות לאפשר התקדמות נוספת ב-יישומי IoT חדשניים, כגון כלי רכב אוטונומיים, אם כי במחיר גבוה יותר מאשר רשתות ייעודיות עבור IoT. הכיסוי של 5G אינו מתקרב להיקף של LTE או 3G, אך הוא מתרחב. כמה אנליסטים בענף צופים כי 5G יגיע לעד 20 אחוז מאוכלוסיית העולם בחמש השנים הקרובות.

5.      לווייני

כיסוי סלולרי אולי מכסה את רוב העולם המאוכלס, אך מה עם לחבר דברים הפזורים באזורים רחבים ושוממים?

חיבוריות בלוויין משמשת ליישומים כגון לוגיסטיקה של משלוחים לאזורים מרוחקים אשר אינם מכוסים על ידי שירותי טלפון סלולרי. אם כי צפוי שזה ישתנה עם התקדמות הטכנולוגיה של הלוויינים, פיתוח יישום IoT אינו נגיש כמו אפשרויות קישוריות אחרות. מערכות לוויינים רבות שמורות עבור שימוש צבאי, אך ניתן לרכוש מודולים של Iridium® ו- ORBCOMM®.

6.      Bluetooth®

Bluetooth בטח כבר מוכר לך. גם ל- Bluetooth Classic ול-Bluetooth Low Energy (BLE) יש טווח שבדרך כלל לא עולה כל 100 מטר, אך הם משמשים בדרך כלל עבור התקנים הנמצאים במרחק של מספר מטרים זה מזה. בחיי היומיום אנו פוגשים את Bluetooth באביזרים עבור טלפונים ומחשבים אישיים – אוזניות, מקלדות וטכנולוגיית תצוגה.

Bluetooth נהדר עבור מוצרי אלקטרוניקה כי צריכת החשמל נמוכה (במקרה של BLE, צריכת חשמל נמוכה במיוחד), התמיכה רחבה והחיבור מהיר.

להבדיל מ-WiFi, Bluetooth אינו מתחבר ישירות לאינטרנט. יש להקים שער כדי להתחבר לאינטרנט. אם כי הקמת שער נשמעת אולי מרתיעה, במקרים רבים זה קל כמו חיבור התקן נייד שגם מתחבר לאינטרנט.

Bluetooth 5.0 הוא עדכון חדש אשר מרחיב את טווח Bluetooth כך שניתן להשתמש בו להקמת רשת ביתית. בעוד Bluetooth Classic ו-Bluetooth LE משמשים בדרך כלל לחיבור התקנים אשר נמצאים במרחק כמה מטרים זה מזה, ניתן לחבר בית שלם עם Bluetooth 5.0. טווח מורחב זה מביא את Bluetooth לתחום של האוטומציה והתאורה הביתיות וליישומים תעשייתיים.

המלצות

יש הבדלים משמעותיים בקלות היישום של שיטות קישוריות אלה. רשתות בשימוש נפוץ, כגון Wi-Fi ו-Bluetooth, הן לעתים קרובות הדרך הקלה ביותר להעריך ולבדוק תכנון ב-IoT. רשתות אלה אינן דורשות הקמת שער או תשלום לספק.

מספר מודולים לבניית אבי טיפוס ב-Wi-Fi ו-Bluetooth זמינים לצרכנים, ורבים מגיעים עם קוד מקור פתוח וערכות לימוד על כיצד לתכנת אותם. מומלץ להשתמש במודולי קישוריות כי זה עושה את התכנון לגמיש יותר. כאשר יש צורך להתאים את התכנון לרשת שונה, ניתן להחליף את המודול במקום להתחיל מאפס.

הקלה של תהליך התכנון

החיבור לאינטרנט הוא רק מרכיב אחד של תכנון IoT. מערכת IoT חייבת שיהיו לה שלושה מאפיינים: חכמה, מחוברת ומאובטחת.

זה מיתרגם לשלושה רכיבים חשמליים: מיקרו-בקר (MCU), מודול חיבור ואלמנט מאובטח. האתגר בתכנון IoT נובע מהאינטגרציה של שלושת הרכיבים הללו.

לוח הפיתוח AVR-IoT WG של Microchip הוא דוגמה לפלטפורמת פיתוח מפושטת עבור WiFi. הלוח מוגדר מראש לחיבור מאובטח לפלטפורמת ה-IoT של הענן של גוגל. עם אלמנט מאובטח, בקר Wi-Fi ו-MCU כולם על לוח אחד, ניתן לדלג על חלק ניכר של עבודת הפיתוח המפורטת והקשה כדי להגיע

למה שחשוב: חדשנות והבאה מהירה יותר של מוצר ה-IoT שלך לשוק.

גם ArduinoArduino Uno WiFi Rev 2 מציע אלמנטים חכמים, מחוברים ומאובטחים. Arduino מארחת קהילה פעילה של עוסקים באבי טיפוס, עם ערכות לימוד רבות וקוד מקור פתוח זמין באינטרנט.

לוחות לחץ (click boards) של MikroElektronica^™ הם מודולים לבנייה מהירה של אבות-טיפוס המתחברים ישירות אל לוח הפיתוח AVR IoT WG, או באמצעות סוכך במקרה של ה-Arduino Uno WiFi Rev 2. יש מספר לוחות לחץ לקישוריות זמינים, כולל מגוון מודולים LoRa ו-Bluetooth. לוחות אלה מציעים דרך נהדרת להוסיף קישוריות לתכנון IoT בשלב האב טיפוס.

באמצעות כלים ידידותיים למשתמש כגון Arduino ולוח הפיתוח AVR-IoT WG, מעולם לא היה נוח יותר לבנות התקן IoT. בין אם אתה מעצב מערכות מוטבעות במקצוע, בונה דברים או פשוט עוקב אדוק וסקרן אחר בלוגים באלקטרוניקה, אתה מסוגל לבנות רשת IoT. נגישות עוצמתית זו, בשילוב עם עולם מחובר יותר ויותר, מבטיחה כי הקישוריות תמשיך להמריץ את הקדמה בצורה חסרת תקדים.

---