Eine der ersten Entscheidungen, die Sie bei der Entwicklung eines IoT Systems treffen, ist die Frage, wie es kommunizieren soll. Einige Projekte können zwar über Ethernet oder ein serielles Protokoll fest verdrahtet werden, die meisten erfordern jedoch die Mobilität und Flexibilität, die eine drahtlose Kommunikation mit sich bringt.
IoT Geräte befinden sich oft an Orten, an denen eine Verkabelung für Strom oder Kommunikation unpraktisch ist, und viele sind völlig mobil, so dass jede Art von kabelgebundener Lösung nicht in Frage kommt. In diesen Fällen ist die Wahl eines drahtlosen Kommunikationsprotokolls eine Selbstverständlichkeit. Aber welche drahtlose Lösung ist die richtige für Ihr Projekt?
In diesem Beitrag vergleichen wir die Kommunikation von Mobilfunk mit der RF-Kommunikation (Funkfrequenzprotokolle) und untersuchen die wichtigsten Überlegungen, um Ihnen bei der Wahl der besten Lösung zu helfen. Unsere Beispiele konzentrieren sich auf Digi XBee® Module, aber die Überlegungen sind die gleichen, egal welche Marke und welches Modell der drahtlosen Kommunikation Sie in Ihrem Projekt implementieren.
Bringen Sie mich zum XBee-Ökosystem von RF und Mobilfunk Modems
Für Mobilfunk werden wir uns die Protokolle mit geringer Bandbreite ansehen, die von der Digi XBee Mobilfunk Linie unterstützt werden, einschließlich LTE Cat 1, LTE-M und NB-IoT. Digi bietet auch eine große Auswahl an Funkfrequenzlösungen an, die nichtMobilfunk sind. Wir bezeichnen dies als unsere "RF"-Linie von Digi XBee Modulen, einschließlich: XBee 3 Zigbee, XBee 3 DigiMesh und XBee 3 802.15.4; XBee-PRO Zigbee und XBee-PRO DigiMesh; XBee SX 900 und XBee 868MHz; und XBee-PRO 900HP.
Im XBee-Einkaufsleitfaden können Sie die Fähigkeiten der verschiedenen Module im Digi XBee Ökosystem vergleichen.
Vergleich zwischen RF und Mobilfunk Drahtlose Kommunikation
Die beste drahtlose Kommunikationslösung für jedes IoT System ist immer kontextabhängig. Für einige Projekte ist Mobilfunk die beste Lösung. Für andere wiederum könnten der Energiebedarf und die Kosten von Mobilfunk unerschwinglich sein, so dass eine HF-Lösung mit kurzer Reichweite wie Digi XBee 3 Zigbee die ideale Lösung darstellt. Der Grund dafür, dass es so viele verschiedene IoT Protokolle gibt, ist, dass es so viele verschiedene Arten von Projekten gibt, die alle ihre eigenen Anforderungen haben. Betrachten wir daher die Überlegungen für jede Art von Lösung.
Mobilfunk Kommunikation: Vorteile und Abstriche
Wie bei jeder drahtlosen Kommunikationsoption gibt es auch bei Mobilfunk Überlegungen, die von den Kosten und der Komplexität bis hin zum Zeitaufwand für die Entwicklung und den Aufbau einer Lösung reichen, und die Frage, wie Sie oder Ihre Endkunden das Gerät letztendlich verwalten werden. So müssen Sie beispielsweise sicherstellen, dass die Firmware Ihres Produkts regelmäßig mit Sicherheits- oder Funktionsupdates aktualisiert werden kann und dass Ihre drahtlosen Kommunikationsgeräte online sind und ordnungsgemäß funktionieren.
Mobilfunk Lösungen erfordern eine externe Infrastruktur. Zwei Mobilfunk Module können niemals direkt miteinander kommunizieren; sie müssen über das Netz eines Mobilfunkanbieters verbunden werden, der eine große Anzahl von Kommunikationstürmen und eine umfangreiche Back-End-Infrastruktur nutzt. Wenn wir sagen, dass ein Mobilfunk Modul mit "dem Sendemast" kommuniziert, beziehen wir uns auf das gesamte Netz des Betreibers, das durch einen einzelnen Mobilfunkmast repräsentiert wird. Da Mobilfunk eine Infrastruktur benötigt, ist fast immer ein kostenpflichtiger Datentarif bei einem Mobilfunkanbieter erforderlich. Selbst bei ermäßigten Tarifen für Geräte mit geringer Bandbreite IoT können die Gesamtkosten beträchtlich und für manche Projekte unerschwinglich sein.
Vorteile von Mobilfunk Kommunikation
Ein Mobilfunk Kommunikationsmodul spricht direkt mit einem beliebigen Sendemast in Reichweite und nutzt diese Verbindung zur direkten Kommunikation, in der Regel mit Online-Cloud-Anwendungen. Ein wesentlicher Vorteil der Wahl von Mobilfunk für Ihre drahtlose Kommunikationsmethode ist, dass keine weiteren Geräte erforderlich sind; Sie brauchen nur das Modul und seine Antenne.
Mobilfunk Lösungen sind extrem mobil. Ihre Verbindungen können mit hoher Geschwindigkeit von Turm zu Turm weitergegeben werden. Mit dem richtigen Modul und Datentarif kann sich Ihr IoT Gerät nahtlos um den Globus bewegen, ohne die Verbindung zu verlieren. Denken Sie daran, dass sich jedes Modul innerhalb der Funkreichweite eines Sendemastes befinden muss, um zu kommunizieren. Wenn ein Mobilfunkanbieter ein Gebiet nicht abdeckt, ist die Kommunikation von Mobilfunk dort nicht möglich.
Mobilfunk Daten sind IP-nativ, was bedeutet, dass Zellmodule mit Live-Verbindungen direkt in ihrer Muttersprache mit dem Internet kommunizieren können. Dies reduziert den Entwicklungsaufwand und vereinfacht die IoT Netzwerkarchitektur. Außerdem werden Over-the-Air-Updates relativ einfach, da die Firmware direkt von der Cloud an das Gerät übertragen werden kann, was den Weg für Fehlerbehebungen und Verbesserungen erleichtert.
Darüber hinaus können OEMs und Endkunden Digis cloudbasierte Geräteverwaltungs- und Kommunikationsplattform Digi Remote Manager® für eine Reihe wichtiger Aufgaben nutzen. Digi Remote Manager Digi Remote Manager® (Digi RM) bietet eine ganze Reihe von Verwaltungsfunktionen, wie z. B. automatische Firmware-Updates für die gesamte Einrichtung, Überwachung der Konfigurationseinstellungen zur Erkennung von Sicherheitsverletzungen, Überwachung des Status und des Gerätezustands, Alarme und Benachrichtigungen für bestimmte Bedingungen und vieles mehr. Außerdem bietet Digi RM die Möglichkeit, alle angeschlossenen Geräte von IoT - einschließlich serieller Geräte, die nicht von Digi stammen - über einen sicheren VPN-Tunnel zu verwalten.
Kompromisse mit Mobilfunk Kommunikation
Einer der Nachteile ist, dass die Systeme von Mobilfunk regelmäßig aufgerüstet werden müssen, um mit den von den Netzbetreibern geforderten Aktualisierungen Schritt zu halten, und manchmal auch mit dem Auslaufen von Protokollen, die den Austausch der zugrunde liegenden Hardware erfordern.
Die meisten IoT Geräte werden mit Batterien betrieben. Mobilfunk Kommunikation hat einen relativ hohen Energiebedarf, da sie viel Strom benötigt, um mit einem Turm zu kommunizieren, der 1/4 Meile oder mehr entfernt sein kann. Neue IoT Mobilfunk Protokolle bieten eine geringere Stromaufnahme und sogar einige Ruhemodi, aber sie verbrauchen die Batterien immer noch viel schneller als HF-Kommunikationsmodule.
Mobilfunk Die Hardware ist ziemlich komplex, daher ist sie in der Regel teurer und physisch etwas größer, insbesondere wenn man die größere Antenne berücksichtigt, die benötigt wird, um alle verschiedenen Mobilfunk Bänder zu empfangen.
NichtMobilfunk RF-Kommunikation: Vorteile und Abstriche
Die RF-Kommunikationslösungen, die wir hier behandeln, haben andere Fähigkeiten als Mobilfunk. Sie können direkt miteinander kommunizieren und sogar Nachrichten über andere Zwischenmodule weiterleiten, wenn sie ein Mesh-Protokoll verwenden. Wenn das Netzwerk Nachrichten über seinen lokalen Bereich hinaus senden muss, benötigt es ein Gateway-Gerät, wie z. B. das Digi IX15 IoT Gateway, das die Daten übersetzt und an andere Stellen weiterleitet, normalerweise über das Internet. RF-Gateways sind üblich, aber definitiv optional, und nicht alle Lösungen verwenden sie.
Beachten Sie, dass Digi auch hervorragende LoRaWAN®-, Wi-Fi- und Bluetooth-Lösungen anbietet, die wir in diesem Blogbeitrag nicht behandeln.
RF-Kommunikationssysteme können auf unbestimmte Zeit eingesetzt und betrieben werden, ohne dass monatliche Gebühren von Dritten anfallen. Dies kann den Unterschied ausmachen zwischen einer kosteneffizienten IoT Lösung und einer, die nicht wirtschaftlich arbeitet, auch wenn sie technisch einwandfrei ist. Ein RF-Netz kann fast überall eingerichtet werden, ohne Rücksicht auf die Abdeckung durch Dritte, aber in der Regel sind sie auf einen vordefinierten Bereich beschränkt, in dem jedes Modul mindestens ein anderes sehen kann, um sein Netz aufrechtzuerhalten.
Mit einer RF-Lösung stellen Sie Ihre eigene Abdeckung unabhängig von einem Anbieter bereit. Sie müssen auch Ihr eigenes Daten-Backhaul bereitstellen, um Informationen vom Netzrand dorthin zu transportieren, wo sie benötigt werden. In den meisten Fällen erfordert dies eine Art von Gateway-Gerät, das die eingehenden Daten aus Ihrem lokalen Funknetz zusammenfasst und an das Internet weiterleitet. Gateways können auch Internetdaten entgegennehmen und sie an das Funknetz weiterleiten.
Bei einem Punkt-zu-Punkt-Protokoll wie 802.15.4 muss sich jedes Funkgerät in Reichweite des Gateways befinden. Bei Mesh-Protokollen wie Zigbee und DigiMesh hingegen "hüpfen" die Nachrichten auf dem Weg zum Gateway automatisch durch zwischengeschaltete Module, so dass Netzwerke viel größer sein können als die Reichweite des Gateways selbst. Da eine RF-Lösung unabhängig ist, müssen keine Upgrades nach einem anderen Zeitplan vorgenommen werden. Wenn Ihr System einmal funktioniert, kann es theoretisch jahrzehntelang unverändert betrieben werden, was dazu beiträgt, die Kosten niedrig zu halten.
RF-Module verwenden in der Regel andere Protokolle als IP zur Kommunikation. Das ist kein Versehen, sondern liegt daran, dass TCP/IP nicht mit Blick auf IoT Lösungen entwickelt wurde, was zu großen technischen Herausforderungen für Geräte mit geringer Leistung und Bandbreite führt, die oft im Ruhezustand und offline sind. Während kommende Protokolle wie Matter dies mit der Zeit ändern sollten, müssen weit verbreitete Protokolle wie 802.15.4, Zigbee und DigiMesh derzeit am Gateway übersetzt werden, wenn sie das Internet erreichen wollen.
Beachten Sie, dass fortschrittliche Gateways wie die von Digi die Over-the-Air-Firmware-Verteilung unterstützen, aber beachten Sie, dass andere Marken dies möglicherweise nicht tun. Darüber hinaus ermöglicht Digi XCTU® die lokale Konfiguration und Verwaltung der eingesetzten XBee RF-Module.
Vorteile der drahtlosen Kommunikation mit RF-Modulen
Wir haben bereits mehrere große Vorteile der RF-Kommunikation behandelt, insbesondere im Hinblick auf die Einsparungen bei Mobilfunk Plänen. Es gibt auch andere Kostenfaktoren für RF. IoT Geräte müssen oft extrem preiswert sein, damit das gesamte System kosteneffektiv ist. Hier können RF-Lösungen wirklich glänzen.
Hier sind einige weitere wichtige Vorteile von RF-Kommunikationsgeräten, die sich alle auf die Gesamtbetriebskosten auswirken:
- Ihre Protokolle und Hardware wurden streng auf Einsparungen hin optimiert.
- Sie verbrauchen sehr wenig Strom und können lange Zeiträume der Inaktivität überbrücken, so dass die Batterien über Monate oder sogar Jahre hinweg ohne Ersatz auskommen können.
- Die Geräte selbst sind einfacher, was bedeutet, dass sie sowohl kleiner als auch preiswerter sein können.
- Ihre Antennen müssen in der Regel nur ein einziges Frequenzband unterstützen, was weitere Größen- und Kostenvorteile mit sich bringt, die den Weg zum Gewinn ebnen können.
Anwendungen der drahtlosen Kommunikation: RF und Mobilfunk Optionen
Schauen wir uns einige verschiedene Anwendungen der drahtlosen Kommunikation in IoT Anwendungsfällen an, um zu sehen, wie sich diese Entscheidungen in realen Situationen auswirken. Diese Beispiele für die drahtlose Kommunikation veranschaulichen die vielen Arten von Anwendungen und einige der Überlegungen für Entwicklerteams.
Überwachung und Steuerung von Roboter-Rasenmähern für Golfplätze
Rasenmäher bewegen sich, also denken wir sofort an Mobilfunk für Mobilität. Rasenmäher benötigen viel Bordstrom und sind ziemlich groß und teuer, also Digi XBee Mobilfunk ist also auch hier eine gute Wahl. Der direkte Zugriff auf das IP-Protokoll macht auch die Entwicklung der unterstützenden Systemarchitektur einfacher. Es ist erwähnenswert, dass RF-Kommunikationsmodule mit großer Reichweite, wie Digi XBee SX, die Aufgabe ebenfalls erfüllen könnten, aber wenn der Platz groß, bewaldet oder hügelig ist, könnten mehrere Gateways und Repeater erforderlich sein, was das System möglicherweise weniger wirtschaftlich und weniger robust macht.
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Überwachung von Wasserlecks in mechanischen Räumen von Gebäuden
Ein Maschinenraum ist ein Innenraum, der sich manchmal unterirdisch befindet, wo es möglicherweise keinen Mobilfunkempfang gibt. Es werden mehrere Sensoren benötigt, um sicherzustellen, dass überall, wo ein Leck auftritt, ein Sensor vorhanden ist, um es zu erkennen. Wir wollen die Kosten niedrig halten, da sie mit der Anzahl der Sensoren multipliziert werden. Wenn der Raum so kompakt ist, dass sich alle Geräte in Funkreichweite eines Gateways befinden, eignet sich eine Punkt-zu-Punkt-Lösung wie das Digi XBee 3 802.15.4-Modul im Mikroformat, das eine zuverlässige, trägerlose Abdeckung zu niedrigen Kosten und mit geringer Komplexität bietet.
Lesen Sie unsere Fallstudie über das Wassersicherheitssystem von Enolgas, um zu erfahren, wie das Unternehmen eine drahtlose Kommunikationsmethode für seine Smart-Home-Leckerkennungslösung gewählt hat.
Städtische Straßenbeleuchtung
Die Straßenlaternen in einer Stadt sind in der Regel etwa 100 Fuß voneinander entfernt, und eine Stadt kann Zehntausende von ihnen haben. Alles, was kommunal ist, wird kostenintensiv sein, so dass unser Überwachungs- und Steuerungssystem für Straßenlaternen mit einem knappen Budget arbeiten muss.
Hier könnte eine Lösung wie Digi XBee 3 Zigbee ein Mesh-Netzwerk schaffen, das Nachrichten von einem Lichtmast zum nächsten weiterleitet, bis sie ihr Ziel erreichen. Bestimmte Straßenlaternen würden ein Gateway beherbergen, vielleicht eines pro Stadtviertel, um Steuer- und Statusmeldungen über das Internet oder das private IP-Netz der Stadt hin und her zu schicken. Da die Straßenlaternen über ausreichend Strom verfügen, können sie alle als Zigbee-Router-Knoten fungieren. Das bedeutet, dass das drahtlose Netzwerk bei einem Ausfall eines Geräts die Probleme problemlos umgehen kann, was eine kostengünstige und robuste Lösung darstellt.
Lesen Sie unsere Kundenstudie mit Sicom Electronics, um zu erfahren, wie das Unternehmen eine drahtlose Kommunikationsmethode für seine intelligente Stadtbeleuchtungslösung gewählt hat.
Trainingsgeräteüberwachung für Fitnessstudios
Das Einchecken von Nutzern, die Protokollierung von Trainingseinheiten und die Überwachung von Wartungsarbeiten bieten den Mitgliedern einen Mehrwert und stellen sicher, dass die Geräte funktionieren, wenn sie gebraucht werden. Da die Trainingsgeräte in der Regel sehr eng beieinander stehen und sich in geschlossenen Räumen befinden, bietet sich hier eine weitere Gelegenheit für Mesh-Netzwerke. Kraftgeräte sind in der Regel nicht mit einer Klimaanlage ausgestattet, so dass unsere drahtlosen Module mit Batterien betrieben werden, die es zu schonen gilt.
Mobilfunk Kommunikation könnte technisch funktionieren, aber häufige Batteriewechsel und die allgemein höheren Kosten von Mobilfunk bedeuten, dass es wirtschaftlich nicht machbar ist. Eine stromsparende Lösung wie das Digi XBee 3 DigiMesh sollte hier glänzen. Die Kosten werden niedrig sein und die koordinierten Schlafzyklen von DigiMesh können dazu beitragen, dass die Batterien viele Monate lang halten, während ein selbstheilendes Netzwerk ohne Verkabelung und wahrscheinlich nur mit einem einzigen Gateway aufrechterhalten wird.
Blutdrucküberwachung zu Hause
Ein von einem Krankenhaus bereitgestelltes System zur Blutdruckmessung zu Hause mag wie ein Zigbee- oder sogar ein Wi-Fi-Projekt klingen - Protokolle, die in der Heimautomatisierung weit verbreitet sind. Wenn man jedoch die Logistik in Betracht zieht, werden die Dinge komplexer. Ältere oder kranke Patienten sind möglicherweise nicht bereit oder sogar nicht in der Lage, neue Geräte mit ihrem Heimnetzwerk zu verbinden. Im Idealfall kann unsere Lösung von überall aus kommunizieren, ohne dass eine Einrichtung erforderlich ist.
Wenn Sie denken Mobilfunk hier denken, tun wir das auch. Die etwas höheren Kosten werden durch die Vorteile der Null-Einrichtung und der vollständigen Mobilität ausgeglichen. Der Blutdruck wird nur selten in kurzen Sitzungen gemessen, daher ist der höhere Stromverbrauch von Mobilfunk kein Problem. Außerhalb der täglichen Messungen wird das Gerät normalerweise ausgeschaltet. Und da die häusliche Überwachung teure Krankenhausaufenthalte reduziert, sind die zusätzlichen Kosten für Mobilfunk vergleichsweise trivial. Dies ist ein großartiges Beispiel dafür, dass der Kontext bei der Wahl einer IoT Kommunikationslösung wirklich wichtig ist.
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