Aktuální vydání

celé číslo

08

2018

MSV 2018 v Brně

celé číslo

Cesta k bezdrátové komunikaci – které standardy jsou nejlepší?

WiFi, Bluetooth, nebo Zigbee? Tom McKinney z firmy HMS Industrial Networks podává přehled dostupných standardů pro bezdrátovou komunikaci krátkého dosahu vhodných pro použití v průmyslu. 

Marketingový šum, který se šíří kolem průmyslového internetu věcí, IIoT, se stává ohlušujícím. Předpokládá se, že trh s prostředky IIoT v následujících několika letech exponenciálně poroste spolu s tím, jak výrobní podniky začnou sbírat stále více dat o svém provozu. Data budou používána ke sledování a optimalizaci procesů, a jestliže se firmy naučí sbíraná data skutečně efektivně využívat, výsledkem bude zvýšení produktivity. Kromě interní produktivity mohou tato data přinést také zlepšení procesů a vztahů mezi podniky s výhodami pro výrobce i zákazníky.

Stále širší využití IIoT je umožněno technickým pokrokem v různých směrech. Patří sem omezení nákladů na ukládání dat, vývoj v oblasti radiofrekvenčních přenosů malého výkonu a vyšší úroveň dostupnosti komunikačních sítí. Dalším důležitým faktorem pro rozvoj IoT je standardizace bezdrátové komunikace.

Bezdrátová komunikace není nic nového

Bezdrátové sítě se v průmyslu používají už více než třicet let. V minulosti to většinou byly proprietární sítě v pásmu pod 1 GHz. Používaly se jednoduché metody modulace, jako klíčování amplitudovým posuvem (ASK, Amplitude-Shift Keying) nebo frekvenčním posuvem (FSK, Frequency-Shift Keying). Rádiové moduly, které využívaly tyto metody modulace, měly jednoduchou konstrukci a byly složené z jednotlivých součástek. Stinnými stránkami uvedených sítí však byl naprostý nedostatek zabezpečení a omezená šířka přenosového pásma.

V uplynulých dvaceti letech bylo vyvinuto několik standardů pro robustní radiokomunikační systémy. Nejnovější z nich jsou dostatečně zabezpečené a vhodné i pro široké použití. Navíc bylo v 80. letech minulého století zavedeno několik nových bezlicenčních frekvenčních pásem, včetně pásem 2,4 a 5 GHz. V současné době představuje využití standardizované rádio­vé komunikační techniky v průmyslu cenově výhodný a přitom bezpečný způsob komunikace vhodný pro monitorování i řízení provozních zařízení. Pro bezdrátovou komunikaci je k dispozici množství standardů, a proto se objevila otázka, který je ten správný.

Podívejme se nyní na tři nejběžnější standardy pro bezdrátovou komunikaci v pásmu 2,4 GHz: Bluetooth, WiFi a Zigbee. 

WiFi

WiFi neboli IEEE 802.11a/b/g/n je široce využívaný standard pro soukromé i podnikové sítě TCP/IP. Zkratka WiFi znamená Wireless Fidelity. WiFi se používá pro zařízení v sítích WLAN – Wireless Local Area Network. Výbor, který se stará o rozvoj tohoto standardu, si klade za cíl možnost jeho pomocí co nejlépe nahradit kabelové sítě TCP/IP. Prioritami před všemi ostatními technickými parametry sítě jsou zabezpečení a rychlost. Sítě 802.11n mají největší šířku pásma ze všech standardů pro bezdrátové sítě krátkého dosahu.

Obecně je nevýhodou sítí WiFi velká spotřeba a velký výpočetní výkon nutný k efektivnímu zpracování stacku protokolu 802.11. Tyto nevýhody vytvořily místo na trhu, které zaplnilo několik standardů pro bezdrátové sítě s velmi malou spotřebou. 

Bluetooth

Bluetooth a Zigbee jsou právě takové standardy vytvořené pro případy, pro něž nejsou vhodné sítě WiFi. Standard Bluetooth je určen pro sítě PAN – Personal Area Network s malou spotřebou. Sítě PAN jsou sítě v bezprostřední blízkosti osob a chytrých zařízení. Požadavky kladené na tyto sítě jsou rychlé začlenění nového zařízení do sítě, jednoduché rozhraní HMI a malá spotřeba. V sítích PAN bývá velké množství komunikujících zařízení umístěno na malém prostoru. Protokol Bluetooth obsahuje časování, které zajistí, aby se vysílače v síti neovlivňovaly. Standard Bluetooth byl také navržen s ohledem na koexistenci se sítěmi WiFi a zahrnuje algoritmus frekvenčních přeskoků, jenž zajišťuje úspěšný přenos telegramů Bluetooth i v prostředí, kde je několik aktivních kanálů WiFi. A protože sítě Bluetooth používají vysílače s malým výkonem, jsou mnohem méně citlivé k rušení vícecestným šířením signálu. Sítě Bluetooth tedy mohou být úspěšně používány i bez podrobného projektování a zkoumání místních podmínek a jsou velmi odolné proti rušení a interferencím. 

Zigbee

Standard Zigbee vychází ze standardu IEEE 802.15.4, což je standard pro bezdrátové rádiové sítě s malým výkonem určené pro obecné použití. Umožňuje využívat na jednotném základě různé protokoly.

Standard Zigbee byl navržen pro sítě inteligentních snímačů s malým vysílacím výkonem, schopné pokrýt rozsáhlé oblasti. Pro to, aby sítě Zigbee splnily tyto technické požadavky, využívají volnou topologii mash a velmi agresivní řízení vysílacího výkonu. Protol Zigbee je navržen tak, aby zařízení mohla být snadno uspána a v případě potřeby zase rychle aktivována. To významně přispívá ke snížení spotřeby elektřiny.

Na základě normy IEEE 802.15.4 jsou postaveny i další protokoly, např. ISA 100, WirelessHART nebo 6LoWPAN. 

Bluetooth Low Energy

Bluetooth Low Energy (BLE) je doplněním standardu Bluetooth. Standard BLE využívá některé metody standardu IEEE 802.15.4, aby dosáhl ještě menší spotřeby než Zigbee, a podporuje některé funkce původně vytvořené pro standard Zigbee. 

Výběr vhodného standardu

Který standard je tedy ten nejlepší? To záleží na konkrétních požadavcích. WiFi má největší šířku pásma a je nejuniverzálnější, ale Bluetooth, Zigbee a BLE mají funkce a vlastnosti, díky nimž jsou ideální pro mnohé speciální úlohy. Jestliže je např. zapotřebí sledovat hodnoty naměřené bateriově napájenými snímači umístěnými ve velkém prostoru, bude nejlepší použít Zigbee. Bluetooth a BLE jsou vhodné tam, kde je třeba nahradit kabel mezi dvěma zařízeními, nebo k monitorování snímačů v menší oblasti. BLE se široce používá u tabletů a chytrých telefonů. Díky BLE se tato zařízení mohou stát také velmi komfortními mobilními ovládacími panely HMI pro připojená zařízení.

Ačkoliv se technické standardy liší, není pochyb o tom, že v blízké budoucnosti využití bezdrátových sítí stále poroste. S úsvitem průmyslového internetu věcí, IIoT, bude třeba k internetu připojit miliardy zařízení, přičemž mnohá z nich budou připojena bezdrátově. 

Tom McKinney, Business Development Manager, HMS Industrial Networks

Obr. 1. Anybus WLAN Access Point

O autorovi:

Tom McKinney (tmc@hms-networks.com) je Business Development Manager HMS Labs – iniciativy společnosti HMS Industrial Network pro inovace. Má mnohaleté zkušenosti z oblasti bezdrátových sítí, VoIP a 1349 a často publikuje a přednáší na téma bezdrátových komunikačních sítí. Více informací o bezdrátových sítích a komunikacích v průmyslu zájemci najdou na www.anybus.com.

Tab. 1. Shrnutí výhod a nevýhod jednotlivých standardů

Standard

Výhody

Nevýhody

WiFi

– největší šířka pásma (až 600 Mb/s u 802.11n)

– pevné kanály 25 MHz nebo širší

– podpora kanálů v pásmech 2,4 i 5 GHz

– rozsáhlá nabídka funkcí pro zabezpečení

– pro velké přenosové rychlosti a v pásmu 5 GHz je menší dosah

– není příliš vhodný pro snímače napájené z baterií

 

Bluetooth/BLE

– velmi malá spotřeba

– masivní rozšíření

– velmi dobrá funkčnost v prostředí s velkým rušením nebo mnoha koexistujícími sítěmi

– snadné použití, není třeba plánovat využití frekvenčního spektra ani vytvářet mapu prostoru, kde bude síť použita

– šířka pásma do 2 Mb/s

– neexistuje standard pro automatický roaming

Zigbee

– velmi malá spotřeba

– pevné kanály mezi kanály WiFi v pásmu 2,4 GHz

– podpora pro pásma pod 1 GHz

– komplikovaná síť mesh

– největší šířka přenosového pásma jen 250 kb/s