התקדם באופן משמעותי מתחילת דרכו. מבין כל מקרי השימוש הזוכים לפופולאריות, היכולת לעקוב אחר נכסים מגיעה לראש הרשימה. המעקב כולל מגוון רחב של סוגי נכסים – מכולות, משלוחים של תרופות חיוניות, מכונות יקרות ואף משק חי. חלק מסוגי הנכסים הללו ניידים ביותר, ומתפרסים על פני מדינות ואזורים ברחבי העולם שברבים מהם אין קליטה סלולארית או LPWAN.
חידוש עדכני מספק כיום קישוריות IoT אלחוטית באמצעות לוויינים המוצבים במסלול נמוך סביב כדור הארץ. מאמר זה מסביר כיצד IoT לווייני (SatIoT) מציע שיטה חסכונית להטמעת קישוריות IoT גלובלית, ומתמקד בסדרת המוצרים של Astrocast.
קישוריות IoT/IIoT אלחוטית
מקורות האינטרנט של הדברים (IoT) מעורפלים, אך רבים מייחסים אותם למכונת משקאות קלים שהוצבה באוניברסיטת קרנגי מלון בתחילת שנות השמונים. המונח נטבע רק בסוף שנת 1999 על ידי קווין אשטון, כאשר ה-IoT צבר תאוצה. בדומה לחידושים רבים המבוססים על אלקטרוניקה, פיתוח טכנולוגיה והאימוץ שלה על ידי התעשייה הם תהליכים מחזוריים. מחזורים של חדשנות וביקוש הם חברים ותיקים, ועליית ה-IoT והתאום התעשייתי שלו – האינטרנט התעשייתי של הדברים (IIoT) – תלויה בדפוסים מחזוריים אלה. דוגמאות לכך כוללות את הצורך בפעולה בהספק נמוך (מסוללות) – מחסום אימוץ משמעותי עד כדי כך שמיקרו-בקרים בעלי הספק נמוך במיוחד הפכו לנורמה. בראשית דרכם, התקני IoT היו מחוברים בכבלים לרשתות Ethernet. אולם, לנוכח המספר העצום של מקרי שימוש ניידים פוטנציאליים, הצורך בקישוריות אלחוטית גמישה בהספק נמוך הוליד רשתות תקשורת מרחביות בהספק נמוך (LPWAN).
אפשרויות קישוריות אלחוטית ל-IoT
קישוריות IoT/IIoT אלחוטית הייתה מוגבלת בתחילת דרכה להתקנות Wi-Fi בבתים, במשרדים ובמפעלים. אולם, יכולות רוחב הפס של תקשורת Wi-Fi עולות בהרבה על הדרישות של רוב חיישני ה-IoT הפשוטים ביותר. כמו כן, Wi-Fi הוא פרוטוקול אלחוטי תובעני במיוחד מבחינת הספק, המתאים ליישומים המוזנים על ידי רשת חשמל או ליישומים המשתמשים בסוללה בעלת קיבולת גבוהה. גם קישוריות נתונים סלולאריים נתפסה בתחילת דרכה כחלופה יקרה. שירות IoT צר פס שולב במפרט הסלולארי 3GPP בשנת 2016, והציע חיבור בעל הספק נמוך ופס צר שאידיאלי לחיישני IoT רבים. לגבי פריסות IoT מבוזרות מבחינה גיאוגרפית, הופעתם של פרוטוקולי LPWAN בתחום התת-GHz כמו LoRa סיפקה חלופת ספקטרום ללא רישיון בעלות נמוכה לפתרונות סלולאריים.
ככל שהמספר של אפשרויות הקישוריות האלחוטית גדל, כך גדל גם מספר מקרי השימוש הפוטנציאליים. למרות שרבות מהפריסות האלחוטיות הראשוניות שהופעלו על ידי סוללות כללו מתקנים קבועים (לדוגמה, מוני שירות), היכולת לפתח התקני IoT לצורכי מעקב האיצה את תהליך האימוץ. מקרה השימוש הפופולארי ביותר של IoT הוא מעקב אחר נכסים, בין אם מדובר על מכולה בספינה השטה מאסיה לאירופה או על עובד בודד בקמפוס מחקר רחב היקף. מגוון יישומי המעקב אחר נכסים רחב – החל ממכונות גדולות ויקרות ועד לשילוח פרטני ודחוף של ציוד רפואי. חקלאות היא מקרה שימוש נוסף של מעקב אחר נכסים או ניטורם, הנהנה מחיישנים בעלי הספק נמוך שמחוברים ל-LPWAN.
בהחלטה על בחירת קישוריות אלחוטית, על המהנדסים לבדוק מספר גורמים, לרבות:
טווח גיאוגרפי: אחרי מה עוקבים, או עם מה מתקשרים? מהו מרחק המעקב או התקשורת? האם מדובר על מרחק של מספר קילומטרים ממיקום מרכזי כמו חווה, או שמדובר על מכולה העשויה לנוע ברחבי העולם? גורם נוסף הנוגע ליישומי מעקב הוא דיוק המיקום. מעקב אחר מכולה על משאית עשוי לחייב איכון בטווח של פחות מ-3 ק”מ בלבד, אך עובד בודד במעבדת מחקר פנימית עשוי להזדקק לדיוק של פחות ממטר. חציית גבולות אזוריים ומדינתיים תחייב נדידה סלולארית וייתכן שגם שימוש ברשתות חלופיות כאשר שיטת התקשורת הראשית אינה זמינה.
מקור מתח: יישומים המופעלים על ידי סוללות מציעים גמישות מרבית, אך סוללות נטענות מציעות טווח רחב יותר אם יש מקום לפאנלים סולאריים או יכולת לקצור מקורות אנרגיה סביבתיים או ממוקדים. מחזור הפעולה של ההתקן יקבע את חיי הסוללה שלו, כך שהתקן מעקב המתקשר פעם ביום עשוי להתאים למכולה בים אך לא יתאים לניטור משלוחים מקומיים.
שיהוי וגודל מנת הנתונים: כמה נתונים צריך להעביר, באיזו תדירות והאם נדרשת אינטראקציה בזמן אמת? שימוש בחיישן פשוט של טמפרטורה ולחות בתהליך בקרה תעשייתי עשוי להעביר פחות מ-10 בתים לעומת חיישני ראייה.
ככל שמספר מקרי השימוש של IoT גדל, במיוחד כשמדובר על פריסות גלובליות כמו מעקב אחר נכסים או ניהול רחב היקף של יישומים המבוזרים מבחינה גיאוגרפית, כך גדל הסיכוי לצורך במיזוג של מספר שיטות קישוריות בהתקן יחיד. ההתקדמות של טכנולוגיות הלוויינים וצמצום עלויות האימוץ הופכים את קישוריות ה-IoT המבוססת על לוויינים לאטרקטיבית עבור יישומים רבים.
קישוריות IoT לווייני
שיגור לווייני תקשורת לחלל אינו תופעה חדשה, והראשון מביניהם שוגר כבר בתחילת שנות השישים. אולם, בעשור האחרון חלה עלייה דרמטית במספר הלוויינים הקומפקטיים והזולים ששוגרו, שרבים מהם שאינם גדולים מקופסת נעליים. לוויינים קטנים אלה מכונים CubeSats ו-nanoSats. הם הפכו לפופולאריים כל כך עד שחלקם אפילו נבנו על ידי מכללות ואוניברסיטאות ושוגרו על ידי NASA וקבלני שיגור מסחריים אחרים. המידות של ננו-לוויין בגודל 1U הן 10 × 10 × 10 ס”מ, ולרוב הוא אינו שוקל יותר מ-1.3 ק”ג. מיזם ההשקה של CubeSat של NASA מציע למוסדות חינוך, למוזיאונים ולמרכזי מדע גישה לחלל בעלות נמוכה. ניתן לשגר עשרות CubeSats בכל פעם.
הלוויינים מוצבים באחד משלושת המסלולים סביב כדור הארץ – ראה איור 1.
איור 1 – מיקום מסלולי GEO, MEO ו-LEO ביחס לכדור הארץ, המרחק ושיהוי ההלוך חזור (מקור: Mouser)
מסלול גיאוסטציונרי מאפשר ללוויין להיראות נייח מנקודה קבועה על פני כדור הארץ. יש לשים לב לשיהוי המשמעותי (עד 0.6 שניות) עקב המרחק הרב. לווייני טלוויזיה, כמו מערך הלוויינים הפופולארי Astra 1 הכולל ארבעה לוויינים, מוצבים במסלול GEO ומשדרים לאירופה אלפי ערוצי טלוויזיה, ערוצי רדיו וערוצים אינטראקטיביים ממרחק של 35,768 ק”מ לערך מכדור הארץ. רוב לווייני ה-GNSS מוצבים במסלול הבינוני סביב כדור הארץ, במרחק של כ-22 ק”מ.
הצבת מערך לווייני CubeSat המספקים קישוריות IoT הופכת לכדאית יותר ויותר במקרים רבים. למרות שמשך הראות של כל CubeSat על ידי התקן IoT הממוקם על פני כדור הארץ עשוי להיות קצר, מדובר על כ-10 עד 12 מעברים ביום ומספר זה צפוי לעלות לאחר כל הוספה של CubeSat למערך. כמו כן, השיהוי של CubeSat המוצב במסלול LEO קצר משמעותית מזה של לוויינים המוצבים במסלולים גבוהים יותר, ומספיק בהחלט לרוב היישומים שאינם דטרמיניסטיים.
יישומים העשויים ליהנות מקישוריות SatIoT כוללים חקלאות חכמה, מעקב אחר נכסים גלובליים וניטור ביצועים של מכונות כבדות. מקרי שימוש אחרים כוללים איסוף נתונים ממצופי מים עמוקים ומיטוב צריכת דלק של כלי שייט.
Astrocast מספקת קישוריות SatIoT
חברת Astrocast היא דוגמה לספקית של קישוריות IoT לווייני, המשגרת משנת 2019 לווייני CubeSat במשקל של כ-5 ק”ג – לרוב באמצעות SpaceX. המשימה האחרונה בינואר 2023 כללה שיגור של ארבעה לווייני CubeSats נוספים בגודל 3U (10 × 10 × 34 ס”מ), כך שכיום מוצבים במסלול 18 לוויינים סך הכול. איור 2 מציג הכנה של לווייני CubeSat של Astrocast לבדיקות סופיות.
איור 2 – לווייני CubeSat של Astrocast (מקור: Astrocast)
נוסף לבנייה ולפריסה של מערך הלוויינים, Astrocast מציעה סדרה של מודולי Astronode של מקמ”שי פס L משולבים ביותר ובעלי הספק נמוך, הממוטבים באופן מלא לתקשורת ישירה עם רשת הלוויינים שלה.
הרשת של Astrocast מציעה שיהוי נמוך ודו-כיווני של פחות מ-15 דקות בחיבור לכל המערך, ואספקה של עדכוני IoT אלחוטיים. הרשת משתמשת בהצפנת AES רב-שכבתית של 256 סיביות לכל אורך הדרך. איור 3 מתאר את הארכיטקטורה הכללית של שירות ה-SatIoT של Astrocast.
איור 3 – שירות ה-SatIoT של Astrocast (מקור: Astrocast)
המודול Astronode S (ראה איור 4) תוכנן במיוחד לחבר התקנים לרשת ה-IoT של לווייני Astrocast. הוא משלב מיקרו-בקר ARM Cortex M33 ומקמ”ש רדיו ASIC קנייני לפס L לתקשורת עם מערך הלוויינים Astrocast. התקשורת עם המארח של התקן IoT מתבצעת באמצעות UART בעל הספק נמוך, נוסף ליציאות ה-GPIO. ניתן לאחסן נתונים בכל עת בחוצץ ההודעות של Astronode (עד 8 הודעות בגודל מרבי של 160 בתים לכל הודעה). ההודעות יישלחו באופן אוטומטי במעבר הלוויין הבא. צריכת החשמל המרבית היא 76 mA (במהלך השידור) עד 320 nA (במצב שינה עמוקה של המודול). הספק השידור המרבי הוא +20 dBm.
איור 4 – מודול מקמ”ש ה-SatIoT Astronode S (מקור: Astrocast)
המודול Astronode S+ משלב מודול מקמ”ש Astronode S ואנטנת טלאי Astronode קרמית וזעירה, הממוטבת לפס L. הוא מתאפיין באלומה רחבה, בשבח של +3 dBic ובעכבה של 50 Ω.
קישוריות ה-IoT הלווייני מרחיבה את מקרי השימוש הגלובליים ב-IoT
הצורך בקישוריות גלובלית בעלות נמוכה ובהספק נמוך הופך למכריע ככל שמספר מקרי השימוש ב-IoT/IIoT גדל. הגישה לתקשורת לוויינית הוגבלה בעבר לסוכנויות ממשלתיות ולארגוני מחקר לאומיים. נראה כי IoT לווייני פותח גישה מסחרית לקישוריות גלובלית אמיתית בעלות ובהספק נמוכים. שילוב SatIoT עם פרוטוקולים אלחוטיים קיימים מציע גישה גמישה ביותר ומגוונת לקישוריות IoT.
