Vägen mot Trådlöst – vilken standard passar bäst?

WiFi, Bluetooth eller Zigbee? Tom McKinney på HMS Industrial Networks ger en genomgång av tillgängliga trådlösa kortdistansstandarder för industriella tillämpningar.

På senare tid har uppmärksamheten kring industriella sakernas Internet (IIoT) vuxit enormt. Marknaden för IIoT-enheter beräknas växa exponentiellt under de kommande åren i takt med att företag börjar samla mer data om sin verksamhet. Dessa data kommer att användas för att övervaka och optimera processer, och i takt med att företag lär sig använda de data som de samlat in till att förbättra processer kommer resultatet att bli ökad produktivitet. Utöver den interna produktiviteten kan dessa data leda till förbättrad verksamhet företag-till-företaget vilket gynnar både producent och kund.

Flera teknologiska framsteg har konvergerat för att göra storskaliga industriella IoT-implementeringar möjliga. Dessa förbättringar innebär minskade kostnader för datalagring, lägre effektkrävande RF-lösningar och högre nivåer av nätverkstillgänglighet. En annan viktig drivkraft för industriella sakernas Internet är trådlös standardisering.

Trådlöst är inget nytt
Trådlösa nätverk har använts i över 30 år på den industriella marknaden. Förr i tiden var dessa nätverk typiska sub 1GHz slutna system. Lösningarna använde enkla modulationstekniker såsom ASK (amplitude-shift keying) eller FSK (frekvensskiftnyckling). Radio som stödde dessa typer av modulering kunde skapas enkelt med en handfull enskilda delar. Nackdelen med dessa lösningar var en total brist på säkerhet och begränsad bandbredd.

Under de senaste tjugo åren har flera standarder utvecklats för att definiera robusta radiolösningar. De senaste standarderna är säkra nog för en bred implementering. Dessutom introducerades flera nya fritt-att-använda-frekvensband på 80-talet, inklusive 2,4 GHz och 5 GHz-banden. Idag är implementering av en standardiserad radiolösning ett kostnadseffektivt och säkert sätt att både övervaka och kontrollera enheter på fältet eller i fabriken. Med tanke på antalet trådlösa standarder att välja mellan blir frågan snarare vilken standard som är den rätta att implementera.

Så låt oss ta en titt på de tre vanligaste trådlösa standarderna som används i 2,4 GHz-bandet: Bluetooth, WiFi och Zigbee.

WiFi
WiFi eller IEEE 802.11a/b/g/n är den mest implementerade trådlösa TCP/IP-lösningen för konsument- och företagsändamål. WiFi är en förkortning för Wireless Fidelity och är en standard som används för att identifiera WLAN-enheter (Wireless Local Area Network). Den kommitté som hanterar denna standard har som mål att skapa bästa möjliga ersättare för trådbundna TCP/IP-nätverk. Kommittén prioriterar säkerhet och hastighet före alla andra kompromisser. Som ett resultat har 802.11n den största bandbredden bland alla trådlösa standarder för kort räckvidd. Nackdelen är strömförbrukningen och den processorkraft som krävs för att effektivt hantera 802.11-stacken. Dessa nackdelar skapade en lucka på marknaden och flera standarder har vuxit fram för att ta itu med kraven på mycket låg effektförbrukning på den trådlösa marknaden.

Bluetooth
Bluetooth och Zigbee introducerades för att ta itu med marknader som inte passade för WiFi. Bluetooth-standarden mötte behoven hos ett PAN (Personal Area Network) med låg effektförbrukning. Ett PAN är ett nätverk som omger en person eller en smart enhet. Kraven omfattar snabb uppkoppling, enkla människa-till-maskin-gränssnitt och låg effekt. I ett PAN kan flera sändare placeras mycket nära varandra - Bluetooth innehåller timing för att säkerställa att enheternas sändare inte överlappar varandra. Bluetooth utformades också med antagandet att det skulle behöva samexistera med WiFi och omfattar en frekvenshoppalgoritm för att säkerställa att Bluetooth-meddelanden kan ta sig igenom även när flera WiFi-kanaler är aktiva. Slutligen, eftersom Bluetooth använder en mycket låg sändareffekt är det mindre känsligt för multitrådning jämfört med WiFi. Som ett resultat av detta kan Bluetooth sättas in framgångsrikt utan omfattande RF-baserad områdesöversyn och planering. Systemet är mycket resistent mot brus och interferens.

Zigbee
Zigbee är baserad på IEEE 802.15.4 som är en lågeffekts trådlös radiostandard för generella ändamål vilken låter olika protokoll byggas ovanpå radiostandarden. Zigbee stödjer lågeffekts sensornätverk och kan täcka ett stort område. Zigbee använder mesh-nätverk och en mycket aggressiv effektprofil för att möta behoven på denna nischmarknad. Zigbees protokoll är utformat för snabb turn-on och turn-off, vilket sparar ström. Flera andra protokoll har byggts ovanpå 802.15.4 inklusive ISA100, WirelessHART och 6LoWPAN.

Lågenergi-Bluetooth
BLE (Bluetooth Low Energy) infördes som en uppdatering av Bluetooth-standarden. Genom att utnyttja några av de tekniker som används i 802.15.4 kunde BLE uppnå ännu lägre elförbrukning jämfört med Zigbee och stöder många av de funktioner som ursprungligen skapades med Zigbee-standarden.

Välja standard
Så vilken standard är rätt standard att implementera? Det beror på systemkraven.
Sammanfattningsvis har WiFi högsta bandbredd och mest omfattande stack, men Bluetooth, BLE och Zigbee erbjuder funktioner som är idealiska för speciella tillämpningar. Till exempel, för övervakning av batteridrivna sensorer över ett mycket stort område skulle Zigbee vara den perfekta standarden. Bluetooth/BLE fungerar bra som en kabelersättningsteknik punkt-till-punkt eller för övervakning av sensorer över ett mindre område. BLE har en stor installerad bas med handdatorer och mobiltelefoner som gör den till ett utmärkt val för människa-till-maskin-gränssnitt.

Även om tekniska standarder kan variera finns det inget tvivel om att fler och fler tillämpningar kommer att anslutas trådlöst inom en snar framtid. Med tillkomsten av industriella IoT kommer miljarder enheter att ansluta till Internet, och många av dessa anslutningar kommer tveklöst att vara trådlösa.

Sammanfattning av för- och nackdelar hos varje standard:

1)WiFi
a.Fördelar
            i. Högsta bandbredd upp till 600Mbits/s med 802.11n
            II. Fast 25 MHz eller större kanaler
            iii. Stöd för 2,4- och 5 GHz-kanaler
            iv. Omfattande säkerhetsfunktioner
b. Nackdelar
        i. Räckvidden är lägre med högre datahastigheter och 5 GHz
            II. Inte lämpligt för batteridrivna sensorer

2)Bluetooth/BLE
a. Fördelar
           i. Mycket låg strömförbrukning
           II. Stor implementerad bas
iii. Mycket bra prestanda i trånga eller bullriga, trådlösa miljöer
           iv. Användarvänlighet, ingen frekvensplanering eller platskrav

b. Nackdelar
i. Maximal datahastighet på 2Mbit/s
           II. Ingen automatisk roamingstandard

3)Zigbee
a. Fördelar
            i. Mycket låg strömförbrukning
            II. Fasta kanaler mellan WiFi-kanaler i 2,4 GHz-bandet
            iii. Stöd för sub 1GHz-band

b. Nackdelar
            i. Komplicerad mesh-nätverkslösning
            II. Maximal bandbredd på 250Kbit/s

Om författaren: Tom McKinney är Business Development Manager på HMS Labs - HMS Industrial Networks satsning på nya innovationer. Tom har mångårig teknisk erfarenhet inom trådlöst, VoIP och 1394-teknik och är en flitig skribent och föreläsare av trådlös This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.. Mer om trådlösa lösningar för industriell kommunikation på
Tom McKinney, Business Development Manager på HMS Industrial Networks