Zephyrnet-logo

Draadloze sensoren voor IoT

Datum:

Illustratie: © IoT For All

Het Internet of Things (IoT) gaat onze wereld veranderen. Er wordt geschat dat er bijna 22 miljard IoT-apparaten tegen 2025. Uitbreiding van internetconnectiviteit naar alledaagse voorwerpen zal industrieën transformeren en enorme kostenbesparingen opleveren. Maar hoe krijgen apparaten zonder internet verbindingsmogelijkheden via draadloze sensoren?

Met draadloze sensoren is IoT mogelijk. Individuen en organisaties kunnen draadloze sensoren gebruiken om veel verschillende soorten slimme toepassingen mogelijk te maken. Van onderling verbonden huizen tot slimme steden, draadloze sensoren creëren de infrastructuur waarop IoT tot leven komt. Begrijpen hoe draadloze sensortechnologie werkt, is cruciaal voor iedereen die van plan is om in de toekomst IoT-toepassingen in te zetten. Laten we eens kijken naar hoe draadloze sensoren werken, opkomende draadloze standaarden voor sensoren en welke rol ze in de toekomst zullen spelen.

Wat is een draadloze sensor?

Een draadloze sensor is een apparaat dat zintuiglijke informatie kan verzamelen en veranderingen in lokale omgevingen kan detecteren. Voorbeelden van draadloze sensoren zijn naderingssensoren, bewegingssensoren, temperatuursensoren en vloeistofsensoren. Draadloze sensoren voeren lokaal geen zware gegevensverwerking uit, ze verbruiken heel weinig stroom en kunnen jaren meegaan op een enkele batterij als een optimale draadloze technologie wordt gebruikt. Bovendien worden sensoren gemakkelijk ondersteund op netwerken met een lage snelheid, omdat ze zeer lichte gegevensbelastingen verzenden.

Draadloze sensoren kunnen worden gegroepeerd om de omgevingsomstandigheden in een regio te bewaken. Deze draadloze sensornetwerken bestaan ​​uit veel ruimtelijk verspreide sensoren die via draadloze verbindingen communiceren. Sensoren in een gemeenschappelijk netwerk delen gegevens via knooppunten die informatie consolideren bij een gateway of waarbij elke sensor rechtstreeks verbinding maakt met de gateway, ervan uitgaande dat deze het benodigde bereik kan bereiken. Gateways fungeren als bruggen die lokale sensoren met internet verbinden en fungeren zowel als routers als draadloze toegangspunten.

Typen draadloze netwerktopologieën

Draadloze sensornetwerken zijn meestal gerangschikt in een paar verschillende topologieën. De meest gebruikte ter ondersteuning van draadloze sensortechnologie zijn de ster- en mesh-topologieën.

#1: Stertopologieën

Stertopologieën zijn die waarbij elk knooppunt rechtstreeks is verbonden met een centrale hub of gateway. Volgens deze regeling sturen knooppunten informatie naar een enkele gateway, die vervolgens berichten doorstuurt naar de beoogde bestemming. Gateways kunnen informatie met veel nodes tegelijk delen, wat het veel gemakkelijker maakt om netwerken te schalen.

Omdat knooppunten niet rechtstreeks gegevens tussen hen uitwisselen, zijn er veel minder point-to-point-koppelingen nodig. Daarom zijn stertopologieën eenvoudig te installeren, configureren en beheren, aangezien nieuwe knooppunten slechts op één centraal punt hoeven te worden aangesloten. Over het algemeen zijn stertopologieën een kosteneffectieve oplossing om gegevensoverdracht tussen talrijke draadloze sensoren mogelijk te maken.

Nadeel is dat stertopologieën volledig afhankelijk zijn van de draadloze verbinding tussen de sensor en de centrale hub. Het bereik kan een probleem zijn, omdat er geen middel is voor een tussenliggende "hop" of repeater van het signaal. Schalen is ook afhankelijk van de capaciteit van de gateway om extra knoop punten te ondersteunen.

#2: Mesh-topologieën

In plaats van alleen te vertrouwen op een centrale hub, leggen mesh-topologieën de verantwoordelijkheid voor gegevensoverdracht bij knooppunten binnen het netwerk. In mesh-topologieën functioneren knooppunten als routers die informatie kunnen doorgeven aan andere knooppunten. Als gevolg hiervan vormen verbindingsproblemen op bepaalde kruispunten minder een bedreiging, omdat gegevens langs vele paden kunnen reizen om de gateway te bereiken.

Er zijn echter een aantal belangrijke problemen met mesh-netwerken. Mesh-netwerken vereisen veel gecompliceerdere (en vaak te gecompliceerde) protocollen om het netwerk te vormen en gegevens tijdens runtime door te geven. Een ander groot nadeel is dat mesh-netwerken veel meer stroom verbruiken dan stertopologieën, omdat sommige knooppunten aan moeten blijven om informatie door te geven. Vaak worden mesh-netwerken gebruikt als een snelle oplossing voor het gebrek aan bereik, waardoor het moeilijker wordt om de dure investering vooraf te rechtvaardigen.

Traditionele draadloze sensorprotocollen

Er zijn veel draadloze protocollen die connectiviteit tussen sensoren mogelijk maken:

#1: wifi

Wi-Fi ("draadloze betrouwbaarheid") is een wijdverbreide en veelzijdige Local Area Network-technologie die informatie verzendt via twee primaire frequenties, 2.4 GHz en 5 GHz. Wi-Fi-netwerken kunnen grote datapakketten met relatief hoge snelheden over middellange afstanden overbrengen. Het belangrijkste voordeel van Wi-Fi is de beschikbaarheid in de meeste huizen en bedrijven, waardoor het een zeer handig bestaand netwerk is.

Aan de andere kant hebben wifi-signalen een beperkt vermogen om door muren te dringen, en verbonden apparaten verbruiken veel stroom in vergelijking met alternatieve draadloze sensorprotocollen vanwege de uitgebreide gegevensoverhead van het protocol. Het beheer van de Wi-Fi-sleutels bevindt zich ook in de lokale router, wat betekent dat een verandering in een sleutel gemakkelijk sensoren kan breken die eerder waren aangesloten, en er zijn geen eenvoudige middelen om deze sleutels bij te werken. Apparaten zoals tv's, laptops, smartphones, enz. hebben displays waarmee de gebruiker de sleutel gemakkelijk kan wijzigen, maar de meeste eenvoudige sensoren hebben dit type interface niet en vereisen een inrichtingsproces om de sleutel te wijzigen. Dit maakt langetermijnbeheer en betrouwbaarheid een probleem voor wifi-sensoren.

De meeste IoT-sensoren hebben doorgaans niet de bandbreedte nodig die beschikbaar is met wifi. Als gevolg hiervan is het meestal minder optimaal voor eenvoudige sensorapparaten. Ten slotte, omdat er veel apparaten met hoge bandbreedte zijn die strijden om dezelfde RF-kanalen om video, audio en andere complexe gegevensoverdrachten via Wi-Fi te streamen, kan er veel interferentie zijn van deze apparaten die andere apparaten kunnen blokkeren die alleen nodig zijn om eenvoudige berichten te verzenden.

#2: BLE

Bluetooth Low Energy, of BLE, is een energiezuinig protocol dat is ontworpen om periodieke draadloze communicatie met een lage datasnelheid over korte afstanden te ondersteunen. Niet te verwarren met klassieke Bluetooth-technologie, die geweldig is voor het streamen van audio naar luidsprekers of headsets, BLE is bedoeld voor draadloze sensoren die kleine pakketjes informatie verzenden. De technologie is een kosteneffectief alternatief voor wifi dat lang niet zoveel stroom verbruikt van apparaten. BLE werkt echter ook op 2.4 GHz, wat betekent dat het protocol beperkt is in termen van bereik en vermogen om door muren te dringen, naast interferentie van andere 2.4 GHz-apparaten.

Al meer dan tien jaar fungeert Zigbee als een energiezuinig alternatief voor Bluetooth en Wi-Fi dat het meest geschikt is voor draadloze sensoren die niet veel bandbreedte nodig hebben. De technologie is gebouwd rond de IEEE 802.15.4-standaard en vertrouwt op mesh-netwerken om gegevens te verzenden. Als gevolg hiervan wordt Zigbee vaak gebruikt om slimme huizen mogelijk te maken die uit veel apparaten met een laag stroomverbruik bestaan. Vergeleken met Z-Wave kan Zigbee een enorm aantal nodes ondersteunen - 65,000+ in een enkel netwerk. Een nadeel van Zigbee is dat sommige knooppunten "aan" moeten blijven om informatie door te geven, zoals eerder besproken in het gedeelte over draadloze topologieën. Bovendien zijn er hogere infrastructuurkosten vanwege de behoefte aan routers om het bereik uit te breiden. Over het algemeen kunnen Zigbee, DigiMesh en andere mesh-netwerken worden beschouwd als dure "pleisters" voor slechte RF-prestaties, het vermijden van interferentie en bereik.

# 3: Z-Wave

Z-Wave is een draadloos protocol dat speciaal is ontworpen voor slimme thuistoepassingen. De technologie, ontwikkeld door Zensys, is een alternatief voor Zigbee dat draait op de "minder lawaaierige" 900MHz-frequentieband, waardoor het grote interferentieproblemen kan voorkomen. Z-Wave mesh-netwerken kunnen echter slechts een beperkt aantal draadloze sensoren ondersteunen en zijn onderhevig aan de beperkingen van mesh-netwerken die eerder zijn beschreven. Gebruikers moeten ook een licentieovereenkomst ondertekenen met Silicon Laboratories voordat ze de technologie kunnen gebruiken die de kosten verhoogt. Uiteindelijk is de belangrijkste reden om Z-Wave-sensoren te bouwen de compatibiliteit met bestaande Z-Wave-systemen. Z-Wave wordt veel gebruikt in de thuisbeveiligingsindustrie omdat het bidirectionele communicatie naar eindpunten mogelijk maakt via een gecodeerd kanaal. Traditionele huisbeveiligingsprotocollen zijn eenrichtingsverkeer en niet-versleuteld. Daarom werken ze niet goed voor toepassingen zoals deursloten.

LPWAN-normen voor draadloze sensoren

De beweging om eenvoudige apparaten, zoals sensoren, met internet te verbinden en de visie om miljarden alledaagse voorwerpen over de hele wereld te verbinden, heeft geleid tot een nieuwe klasse van draadloze standaarden die worden geclassificeerd als low-power wide-area netwerken, of LPWAN's. LPWAN's zijn een specifieke klasse van radiotechnologieën die worden gebruikt om kleine hoeveelheden gegevens over zeer lange afstanden te verzenden.

LPWAN-netwerken verbruiken veel minder stroom van aangesloten draadloze sensoren en zijn minder duur om toegang te krijgen. Met LPWAN's ruilen eindgebruikers bandbreedte in voor een groter bereik, wat geschikt is voor degenen die eenvoudige draadloze sensoren gebruiken. LPWAN-oplossingen zijn doorgaans kosteneffectiever, waardoor bedrijven positieve ROI's voor hun IoT-toepassingen kunnen realiseren.

LoRa® (een afkorting voor "long range") is een populaire draadloze standaard met een hogere bandbreedtecapaciteit dan Sigfox. LoRa gebruikt een eigen modulatieschema genaamd chirp spread spectrum, dat uitstekende linkmarges mogelijk maakt en signalen kan bereiken die onder de RF-ruisvloer liggen. Dientengevolge kunnen LoRa-sensoren grotere datapakketten door rumoerige omgevingen over lange afstanden verzenden. LoRa-netwerken kunnen openbare LoRaWAN-basisstations of privégateways gebruiken, wat het bijzonder nuttig maakt voor draadloze sensoren in meer afgelegen gebieden waar openbare toegang mogelijk niet beschikbaar is.

LoRaWAN-gateways kunnen worden aangesloten op een cloudgebaseerde LoRaWAN-netwerkserver. Van daaruit worden de gegevens naar de applicatie gepusht.

Voordelen van draadloze sensortechnologie en IoT

Er zijn verschillende voordelen van draadloze sensortechnologie voor IoT-implementaties:

  • Het reactievermogen en de effectiviteit van het servicebedrijf verbeteren: Loodgieters- en verzekeringsmaatschappijen kunnen profiteren van draadloze waterleksensoren. Aanbieders van loodgietersdiensten zouden deze sensoren kunnen installeren in flatgebouwen en appartementsgebouwen, zodat ze automatisch worden gewaarschuwd wanneer er lekken optreden in eenheden. Verzekeringsmaatschappijen zouden ook leksensoren in huizen kunnen inzetten om eventuele schade als gevolg van onopzettelijke overstromingen tot een minimum te beperken.
  • Ondersteuning van patiëntenzorg via realtime monitoring: In instellingen voor seniorenzorg zijn draadloze drukknoppen bijzonder belangrijk omdat ze kunnen worden geconfigureerd om te werken als mobiele PERS-apparaten die personeel waarschuwen wanneer hulp nodig is. Net als in slimme huizen kunnen deze voorzieningen ook draadloze deur- of raamsensoren gebruiken om te detecteren wanneer bewoners hun kamers onbeheerd proberen te verlaten.
  • Beter en slimmer productbeheer mogelijk maken: Supermarkten en detailhandelaren kunnen activa beschermen met verschillende soorten draadloze sensoren die zich door hun hele pand bevinden. Met draadloze luchttemperatuursensoren kunnen facilitair managers de temperatuurniveaus in koelunits volgen en ervoor zorgen dat bederfelijke waren veilig zijn.
  • Verbetering van de beveiliging en veiligheid in industriële omgevingen: Bij autodealers kunnen wagenparkbeheerders draadloze op versnelling gebaseerde bewegingssensoren in voertuigen installeren, zodat ze meldingen kunnen ontvangen wanneer auto's 's nachts rijden, een teken van mogelijke diefstal. In magazijnen kunnen facility supervisors warmte-indexen berekenen met draadloze luchtsensoren en ervoor zorgen dat ze een gezonde werkomgeving voor werknemers behouden.
  • Behoud en onderhoud van kwetsbare kunstwerken: In musea en kunstgalerijen kunnen conserveringsspecialisten draadloze vochtigheidssensoren in kamers plaatsen om de luchtcondities te bewaken en aan te passen om artefacten of kunstwerken te beschermen. Optische sensoren kunnen ook worden gebruikt om verlichtingsniveaus te detecteren en ervoor te zorgen dat gasten de best mogelijke kijkervaring hebben.
  • Lokale infrastructuur snel beschermen en repareren: Nutsbedrijven kunnen sondes voor hoge temperaturen op elektriciteitspalen installeren om transformatorstoringen te detecteren. Met kantelsensoren kunnen ze ook sensoren configureren om waarschuwingen naar onderhoudspersoneel te sturen wanneer palen overhellen of door voertuigen zijn geraakt.

Het dagelijks leven verbeteren

Dit zijn slechts enkele voorbeelden van hoe draadloze sensoren IoT-toepassingen in ons dagelijks leven mogelijk maken. In de loop van de tijd zullen we innovatie blijven zien in verschillende industrieën en andere nuttige toepassingen voor de technologie.

spot_img

Mobile

Laatste intelligentie

spot_img