A jelenleg csatlakoztatott eszközök 5 fő vezeték nélküli technológiát használnak: WiFi, Bluetooth Smart, ZigBee, Z-Wave, illetve különféle egyedi megoldások a GHz alatti (sub-GHz) frekvenciasávokban. Feltörekvőben van a még fejlesztés alatt álló Thread-protokoll is, melyet a Thread Group konzorcium támogat. Mindegyik technológiának megvan a maga előnye és hátránya, a maga optimális felhasználási területe az IoT világában. Jelenleg nincs olyan univerzális megoldás, amely minden igényt egyszerre kielégítene. A helyes kombináció kiválasztása fontos része az alkalmazásfejlesztési folyamatnak.
Sub-GHz Wireless Technology
Az alacsony adatátviteli sebességet igénylő alkalmazások esetében – pl. a biztonságtechnika és automatizálás – a GHz alatti (főleg ISM-) sávokban működő egyedi hálózatok vannak érdemi előnyben a nagyobb, többletfunkciókban gazdag protokollokkal szemben (WiFi, Bluetooth és ZigBee, főleg a 2,4 GHz-es sávban).
A hatótávolság például egy olyan tényező, ahol ezek a megoldások kiemelkednek. A keskenysávú adatátvitel akár több kilométeres távolságról is működhet. Az adatokat rögtön egy távoli központba küldik, nem kell csomópontok között „ugrálni". A dolog hátulütője, hogy a nagyobb távolság miatt több eszköz fogja zavarni az adásunkat.
Előny lehet, hogy a GHz alatti frekvenciák még nem annyira zsúfoltak, mint a 2,4 GHz, így kisebb az interferencia. Egyes régiókban sajnos kevés a rendelkezésre álló GHz alatti csatorna, ezért kitöltési tényezővel korlátozzák az adattovábbításra használható időt.
Végezetül talán a legfontosabb előny: ez a technológia jóval kevesebb áramot fogyaszt, mint a legtöbb 2,4 GHz-es protokoll.
A GHz alatti technológia nem mindig ideális választás egy intelligens otthoni összeköttetéshez. Sok meglévő sub-GHz-hálózat egyedi (ún. propriatary) protokollt használ. Az ilyen rendszerek nem tudnak kommunikálni más rendszerekkel, kivéve, ha egy fordítót is írnak az alkalmazásrétegbe. Ez probléma lehet, hiszen a házon belüli rendszernek egyre gyakrabban kell kommunikálnia kifelé, ahogy az adatszolgáltatások és különféle vezérlések a felhőalapú megoldásokba vonulnak.
Külön említést érdemel a sub-GHz-piacon a Wireless M-Bus szabvány. Az EN13757-4/3 európai szabványokra épülő nyílt protokoll már sok helyen bevált. Egyre többször használják intelligens mérőórák, adatgyűjtők, mobil kiolvasókészülékek és távvezérlők kapcsolataihoz. Az új, vezeték nélküli „okosmérők", mint a víz-, gáz- és hőmennyiségmérők hosszú elemélettartamot igényelnek. Ennek megfelelően a Wireless M-Bus adatcsomagok relatíve rövid fejlécet használnak a rövid mérési adat mellett, így az akkumulátor élettartama akár 15-20 év is lehet. Az elmúlt néhány évben számos területen és több országban bizonyított, így széles körben elfogadott szabvánnyá vált Európában.
A Z-Wave egy másik, sub-GHz frekvencián működő, egyedi vezeték nélküli protokoll, amely elsősorban az otthoni automatizálás területén, főleg tűz- és vagyonvédelmi rendszerekben elterjedt. Ajtó- és ablaknyitás-, valamint füstérzékelők, termosztátok és más intelligens otthoni megoldások kisebb hálózatba történő szervezéséhez használatos. A technológia lehetővé teszi, hogy az eszközök magas szintű hálózatokon, vagy a weben is elérhetőek legyenek. Az alkalmazásréteg-beli megvalósítás azonban nem IP-alapú, ezért a gateway feladata, hogy a Z-Wave kommunikációt áttranszformálja a felhő- és mobilalkalmazások részére. Ez komoly aggályokat vet fel az átjáró megbízhatósága szempontjából. A Z-Wave szabvány mögött egyetlen cég áll. A verseny hiánya és a cég stabilitásától való függés jelentősen gátolja a növekedést és a technológia terjedését.
Meg kell említenünk, hogy az egyedi protokollok mellett a ZigBee is megjelent a sub-GHz-piacon. A ZigBee szabvány kiterjesztésével egyesíteni próbálják a sub-GHz frekvencia és a ZigBee protokoll előnyeit.
WiFi (802.11 b/g/n)
A WiFi messze a legismertebb vezeték nélküli protokoll. Több mint egy évtizede használjuk mindennap, akár a saját otthonunkban. A széles körű elterjedését két dolog is segíti: az IEEE folyamatosan új betűjelzéssel (802.11 b/g/n) frissíti a szabványt, míg a Wi-Fi Alliance kezeli a tanúsítványokat és a reklámozást.
A WiFi fő előnye tehát, hogy ismert és elterjedt. Az előfutára 1991-ben debütált, így manapság ott tartunk, hogy a legtöbb házi felhasználó is képes az otthoni útválasztót (router) alaphelyzetbe állítani, illetve alapvető hibaelhárítást végezni.
A WiFi egy, MAC-rétegbeli protokollt és biztonsági kiegészítéseket definiál, de nem határozza meg, hogy az alkalmazások hogyan kommunikáljanak egymással. Ez azt jelenti, hogy minden gyártó saját maga fejleszti az alkalmazásszintű protokollt, így a különböző gyártmányú eszközök közti kommunikáció nehézkes vagy egyenesen lehetetlen (kivéve, ha két vállalat szorosan együttműködik). Emiatt a WiFi nem alkalmas elosztott hálózati topológia (mesh network) kiépítésére, hanem a központi hozzáférési pontot feltételező csillagpontos (star network) modellt használja.
A működési elrendezést az 1. ábra mutatja. Könnyen megérthető, hogy a csillagpontos hálózat esetén minden forgalom egy központi eszközön megy keresztül. Ez elég szűk keresztmetszet lehet, hiszen nagy sávszélességet és nagy megbízhatóságot igényel. Képzeljük csak el, amikor az okostermosztát és egy folyamatos képátvitel (streaming video) egymás elől halássza el a sávszélességet! Ha az átjáró (gateway) meghibásodik, a teljes hálózat összeomlik. Ezzel szemben a mesh-hálózat (jellemzően ZigBee és Thread) esetén az egyes eszközök egymással is képesek kommunikálni.
1. ábra. A csillagpontos és a mesh hálózat összehasonlításaA WiFi nagy hátránya, hogy meglehetősen sokat fogyaszt más, vezeték nélküli protokollokhoz képest. Elemes alkalmazásoknál ez kritikus paraméter lehet. További probléma a skálázhatóság. Vannak olyan rendszerek, amelyek maximum 15 eszközt képesek kezelni, holott egy intelligens lakásban ez a szám könnyen 100-ra ugorhat.
Bluetooth Smart
A Bluetooth az egyik legnépszerűbb rövid hatótávolságú kommunikációs protokoll, amelyet az Ericsson egyik mérnökcsoportja talált fel 1994-ben. Szinte mindenütt megtalálható a pont-pont összeköttetést igénylő személyes hálózati alkalmazásokban, mint például okostelefonok, tablet, intelligens otthoni eszközök, autóipari fedélzeti számítógép (infotainment), személyes orvosi eszközök, hordható elektronikák és egyéb szórakoztatóipari termékek területén.
A Bluetooth nem igényel speciális átjárót (gateway), mert magát a telefont vagy tabletet tudja erre a funkcióra használni. Aktuális verziói csak pont-pont összeköttetést támogatnak, amely korlátozza a hatótávot és a megbízhatóságot. Ha az okostelefont kikapcsolták, a kapcsolat elvész.
A fogyasztásérzékeny IoT-alkalmazásokhoz a Bluetooth Special Interest Group (SIG) kifejlesztett egy alacsony energiaigényű változatot, amely a Bluetooth Smart névre hallgat. 2011-ben vezették be a piacon, az eredeti specifikáció kiterjesztéseként. A megoldás 10-20-szor kevesebb energiát fogyaszt, mint a klasszikus Bluetooth. Jelenleg az egyetlen kis teljesítményű vezeték nélküli technológia, amelyet natívan támogatnak a vezető okostelefonok és tabletek. Sőt, ez a fő összeköttetés a terjedőben lévő hordható eszközök, például fitneszkarórák, okosórák és a mobiltelefon között.
A Bluetooth hátránya, hogy jelenleg nem támogatja az IP-címzést vagy a mesh-hálózati topológiát. A mérnökök azon dolgoznak, hogy ezek a képességek is bekerüljenek a szabvány következő frissítésébe.
ZigBee
A ZigBee protokollt, amely a WiFi-megoldásokhoz képest jóval alacsonyabb áramfogyasztást tesz lehetővé, 2004-ben szabványosították először. Az otthoni és ipari automatizálás területén széles körben elterjedt megoldás az IEEE 802.15.4 rádiós fizikai rétegen alapul.
A ZigBee Alliance (ZigBee Szövetség), amely a ZigBee-technológia evolúcióját felügyeli, olyan alkalmazásréteg-beli profilokat definiált, amelyek tipikus vezeték nélküli hálózati eszközök viselkedését és azok kommunikációs sémáját írják le. Ez elősegíti az ipari és kereskedelmi mesh-hálózatok gyors és hatékony kiépítését. A profilokat a Szövetségbe tömörült cégek hozták létre, megteremtve így az egymással kompatibilis termékek egészséges ökoszisztémáját.
Több integráltáramkör-fejlesztő cég is része a Szövetségnek, amely egészséges versenyhelyzetet teremt az alacsony szintű ZigBee-megoldások piacán. A Silicon Labs vezető szerepet tölt be ezen a területen.
A ZigBee szabvány számos előnyt nyújt az IoT-alkalmazások részére. A legfontosabbak közé tartozik a megbízhatóság, a skálázhatóság és az öngyógyítás.
- Megbízhatóság: az 1. ábrán a csillag- és mesh-hálózati topológiák összehasonlítása látható. A csillagtopológiával ellentétben a ZigBee-hálózatba szervezett eszközök akkor is képesek kommunikálni egymással, ha a gateway meghibásodik, vagy nem áll rendelkezésre a végpont hálózatba történő kapcsolódásakor.
- Skálázhatóság: a hálózati eszközök száma gyakorlatilag korlátlan. A felhasználó akár több száz eszközt is hozzáadhat a hálózathoz anélkül, hogy a hálózat teljesítőképességét komolyan befolyásolná, vagy a technológia határait súrolná.
- Öngyógyítás: a mesh-hálózat zökkenőmentesen továbbműködik még abban az esetben is, ha a hálózat központi eleme (a koordinátor) meghibásodik vagy elérhetetlen. Ez azt jelenti, hogy az intelligens termosztát továbbra is vezérli a kazánt és nem engedi kihűlni a lakást, valamint a riasztórendszer továbbra is szemmel tartja a házunkat.
Jelenleg a ZigBee Alliance az alkalmazásréteg-beli szabványok újracsoportosításán dolgozik. Ezen túl olyan hiányosságok is akadályozzák a szélesebb körben történő elterjedését, mint az eszközök még egyszerűbb és teljesebb együttműködésének hiánya, valamint a direkt IP-címezhetőség igénye. Ha egy ZigBee eszközt az internetre szeretnénk csatlakozatni, az átjárónak minden egyes kommunikációs csomagon mind cím-, mind alkalmazásréteg-beli transzformációt kell végrehajtania a mesh és a magasabb szintű hálózat között. Az átjáró ezáltal komoly potenciális hibaforrássá válik a hálózat megbízható működése szempontjából. Esetleges meghibásodása esetén a ZigBee-hálózat teljesen elszigetelődik a magasabb szintű hálózattól.
Ezen komplex problémákat hivatott megoldani a Thread-protokoll.
A Thread-protokoll
Az alkalmazásfejlesztő cégek fantáziája végtelen, újabbnál újabb eszközöket és szolgáltatásokat találnak fel az intelligens otthoni megoldásokhoz. A mérnökök folyamatosan egyszerűsítik az új eszközök telepítését és növelik a felhasználói élményt. Az IoT-eszközök és -szolgáltatások például jelentősen egyszerűsödnek, ha valós IP-alapú kommunikációt használnak. A Thread Csoportot (Thread Group) 2014 közepén alapította néhány technológiai vállalat azzal a céllal, hogy egy új, IP-alapú mesh-kommunikációs megoldást fejlesszenek ki a növekvő piaci igények kielégítésére. A Nest, Samsung, ARM, Freescale, Yale Locks és Big Ass Fans cégek mellett a Silicon Labs is az alapítók között van.
A Thread egy valós IP-alapú hálózati megoldás, amelyet kifejezetten az intelligens otthoni eszközök számára fejlesztettek. Magas fokú titkosítás, alacsony áramfogyasztás, valamint egyszerű használat jellemzi. A Thread megbízható és robusztus mesh-hálózati megoldást kínál, ahol az intelligens otthoni hálózatba szervezett szenzorok és egyéb eszközök valós IP-címmel címezhetőek. Ezenfelül még egyik nagy előnye, hogy a Thread-protokoll fut a legtöbb ma is elérhető, 802.15.4-alapú integrált áramkörön, mint például a Silicon Labs Ember ZigBee SoC (egy tokba integrált mikrokontroller és rádió). A Thread-protokoll egy meglévő 802.15.4-alapú rádiós hálózaton akár egy rádión keresztüli szoftverfrissítés formájában is telepíthető.
A Thread számos technológiai előnyt nyújt más, meglévő vezeték nélküli szabványokhoz képest, mivel olyan igazolt technológiákra támaszkodik, mint például az IPv6, 6LoWPAN, vagy a 802.15.4 rádiók.
- Megbízható hálózat: a Thread egy robusztus, öngyógyító mesh-hálózatot valósít meg. A mérete több száz végpontig skálázható. Nincs kritikus eleme, amelynek meghibásodásától az egész rendszer működése függne.
- Titkosítás: a Thread-hálózat biztonságos, banki szintű titkosítási algoritmust alkalmaz, és más, vezeték nélküli technológiákban fellelhető biztonsági hiányosságra is megoldást nyújt.
- Egyszerű telepítés: Thread eszközök egyszerűen telepíthetőek egy számítógép, telefon vagy egy táblagép segítségével. Az intelligens otthonban található eszközök egyszerűen és biztonságosan érhetőek el bárhonnan egy felhőalkalmazás segítségével.
- Alacsony fogyasztás: a Thread-protokoll támogatja az elemes alkalmazásokat, mint például termosztátok, világításvezérlők, tűz- és vagyonvédelmi termékek. Ez lehetővé teszi, hogy az intelligens otthoni megoldások egy valós, IP-alapú hálózatra csatlakozhassanak anélkül, hogy gyakran kellene azok akkumulátorát tölteni, vagy az elemet cserélni bennük.
Igaz, hogy a Thread még fejlődik, de a cégeknek nem kell megvárniuk a szabvány véglegesítését, mielőtt elkezdik saját alkalmazásaik fejlesztését. Bármely termék, amely egy 802.15.4 vezeték nélküli integrált áramkört használ és rádión keresztül frissíthető a szoftvere, alkalmas a Thread-protokoll futtatására. A Silicon Labs ZigBee hardver- és szoftverfejlesztő eszközei teljes mértékben támogatják a Thread-protokollt. Ez lehetővé teszi, hogy ügyfeleink időtálló terméket és platformot fejlesszenek jövőbeni mesh-hálózati megoldásaik számára.
A ZigBee Alliance és a Thread Group nemrégiben egy olyan együttműködést jelentett be, amely lehető teszi a ZigBee Cluster Library futtatását Thread-hálózatokon. Ez a nagyfokú együttműködés elősegíti a termékfejlesztések racionalizálását, és nagymértékben növeli a felhasználói elégedettséget az intelligens otthoni eszközök használata terén. A ZigBee és a Thread-szervezetek együttműködése fontos előrelépést jelent az IoT-szegmens egységesítése felé.
Titkosítás és az intelligens otthoni megoldások
A titkosítás része a legtöbb mai hálózati protokoll alacsony szintű rétegeinek, pl. AES-titkosítást használ a 802.15.4 közeg-hozzáférési rétege. A cél az, hogy a hálózati forgalom mindig titkosítva legyen. Hitelesítési technológiával párosítva minden hálózati végpont képes arra, hogy hitelesítést kérjen a kommunikáció megkezdésekor. Hozzá kell tenni azonban, hogy a szoftvermegoldások alacsony szintű titkosítás mellett is csak annyira titkosak, amennyire az új eszközök titkosítási kulcsainak telepítési folyamata biztonságos!
IP-alapú kapcsolat és az intelligens otthoni megoldások
A jelenlegi intelligensotthon-megoldások vegyesen használnak IP- és nem IP-alapú protokollokat. Egyéb piaci és ipari szegmenseknél már az IP-alapú kommunikáció dominál, melynek előnye a meglévő, szabványos és jól ismert címzési, útvonalválasztó és titkosítási mechanizmusok. Ezek egyszerűen használhatóak egy hálózaton belül anélkül, hogy az alkalmazásrétegbeli csomagok átalakításra kerülnének.
Az IP-címek használata lehetővé teszi különböző alacsony szintű technológiák együttes használatát, fizikai vagy közeg-hozzáférési áthidalóeszközök segítségével. Így egy otthoni, ethernethálózatra csatlakoztatott számítógépet is könnyen elérhetünk mobilalkalmazáson keresztül, WiFi vagy más adatkapcsolat használatával. Ez a fajta zökkenőmentes kapcsolat fontos a legtöbb új alkalmazási területen, ahol a felhasználó elvárása otthonának vezérlése és megfigyelése akkor is, ha éppen úton van.
A legtöbb fejlesztőcég (áramkör, szoftver, alkalmazás, rendszerintegráció), szolgáltatók, de még a kiskereskedők is aktívan fejlesztenek új eszközöket és szolgáltatásokat a rohamosan fejlődő intelligens otthoni megoldásokhoz. Néhány alkalmazás nagy sávszélességet igényel, amelyhez tipikusan WiFi-kapcsolatot alkalmaznak. Az alacsony fogyasztású, elemes táplálású eszközök megvalósításához egy 802.15.4-alapú rádiót és ZigBee-protokollt használnak, várva arra, hogy azt később egy Thread-alapú megoldásra cseréljék.
Konklúzió
Ahogy az IoT és intelligens otthoni megoldások népszerűsége ugrásszerűen megnő, nem lesz ritka, hogy számos vezeték nélküli protokoll fog párhuzamosan működni az otthonokban; pontosan úgy, ahogy a mai mobiltelefonok is zökkenőmentesen támogatják a 3G/4G-, WiFi- és Bluetooth-kapcsolatot, akár egy időben. A mai IoT-szegmens nem egy háborús övezet, ahol majd egyetlen vezeték nélküli technológia fog teret hódítani. Sokkal inkább az látszik, hogy a fejlesztők megtalálják a vezeték nélküli kommunikációk megfelelő kombinációját, hogy az IoT termékeik boldogan kommunikáljanak egymással, a gateway-jel, a felhőszolgáltatásokkal és nem utolsósorban a felhasználóval. Minden bizonnyal azt fogjuk tapasztalni az évtized vége előtt, hogy a nagy sávszélesség-igényű IoT-alkalmazások a WiFi-kapcsolatra; az alacsony fogyasztású, egyszemélyes felhasználású alkalmazások a Bluetooth-technológiára a vezeték nélküli mesh-hálózati megoldások a ZigBee- és Thread-protokollra fognak támaszkodni.
