De weg naar wireless - welke wireless standaard past het beste bij je?

WiFi, Bluetooth of Zigbee? Tom McKinney van HMS Industrial Networks geeft een overzicht van de beschikbare korte-afstand wireless standaards voor industriële toepassingen.

Sinds enige tijd is de buzz rond Industrial IoT uitgegroeid tot een oorverdovende brul. De markt voor IIoT apparaten zal naar verwachting de komende jaren exponentieel groeien, omdat bedrijven steeds meer gegevens gaan verzamelen over hun activiteiten. Die data zullen worden gebruikt voor het bewaken en optimaliseren van processen, en aangezien bedrijven bovendien leren de verzamelde gegevens in te zetten voor het verbeteren van processen, zal dit resulteren in een hogere productiviteit. Behalve tot hogere interne productiviteit, kunnen deze data ook leiden tot verbeterde business-to-business activiteiten, waarvan zowel de producent als de klant profiteert.

Meerdere technologische ontwikkelingen zijn samengebundeld om grootschalige industriële IIoT implementaties mogelijk te maken. Deze verbeteringen impliceren lagere kosten voor gegevensopslag, laagvermogen RF oplossingen en hogere niveaus van netwerktoegankelijkheid. Een andere belangrijke stimulans voor industrial IoT is wireless standaardisatie.

Draadloos is niets nieuws
Draadloze netwerken worden al meer dan 30 jaar in de industrie gebruikt. In het verleden waren deze netwerken typische sub 1GHz eigen systemen. Bij de toepassingen werd gebruik gemaakt van eenvoudige modulatietechnieken als amplitude-shift keying (ASK) of de frequency-shift keying (FSK). Radio's die deze soorten modulatie ondersteunden konden gemakkelijk in elkaar worden gezet met een paar verschillende onderdelen. Nadeel van deze oplossingen waren een compleet gebrek aan beveiliging en de beperkte bandbreedte.

In de afgelopen twintig jaar zijn verschillende standaards ontwikkeld om robuuste radio-oplossingen te definiëren. De meest recente standaards zijn veilig genoeg voor een brede implementatie. Daarnaast werd in de jaren ’80 een aantal nieuwe gratis te gebruiken frequentiebanden geïntroduceerd, inclusief de 2,4 GHz en 5 GHz banden. Het toepassen van een gestandaardiseerde radio-oplossing is momenteel een kosteneffectieve en veilige manier om apparatuur in het veld of in de fabriek zowel te bewaken als te controleren. Met het aantal draadloze standaards om uit te kiezen, gaat het er nu om welke standaard de juiste is om te implementeren.

Laten we daarom de drie meest voorkomende wireless standaards die in de 2,4 GHz band worden toegepast:

Bluetooth, WiFi en Zigbee, eens nader bekijken.

Wifi
WiFi of IEEE 802.11a/b/g/n is de meest toegepaste consumenten en zakelijke draadloze TCP/IP netwerkoplossing. WiFi staat voor Wireless Fidelity en is een standaard die wordt gebruikt om Wireless Local Area Network (WLAN) apparaten te identificeren. De commissie die deze standaard beheert heeft als doel om de best mogelijke bekabelde TCP/IP netwerkvervanging te creëren. De commissie stelt beveiliging en snelheid boven alles. Hierdoor heeft 802.11n de grootste bandbreedte van elke korte-afstand draadloze standaard. Nadelen zijn het energieverbruik en de rekenkracht, nodig om de 802.11 stack efficiënt te beheren. Deze nadelen zorgden voor een gat in de markt en inmiddels zijn meerdere standaards ontwikkeld voor de zeer laagvermogen draadloze markt.

Bluetooth
Bluetooth en Zigbee werden beide geïntroduceerd voor sectoren die niet geschikt waren voor WiFi. De Bluetooth standaard focuste op de behoefte aan een laagvermogen Personal Area Network (PAN). Een PAN wordt gedefinieerd als het netwerk dat een persoon of een smart apparaat omringt. De eisen zijn een snelle associatie, eenvoudige mens/machine interfaces en een laag energieverbruik. In een PAN kunnen meerdere zenders heel dicht op elkaar worden geplaatst - Bluetooth bevat timing om ervoor te zorgen dat apparaatzenders elkaar niet overlappen. Bluetooth is ook ontworpen in de veronderstelling dat het verenigbaar moet zijn met WiFi en beschikt over een frequency-hopping algoritme waardoor Bluetooth berichten worden doorgegeven, zelfs als er meerdere WiFi kanalen actief zijn. Tenslotte is Bluetooth, omdat het gebruik maakt van een zeer laagvermogen zender, vergeleken met WiFi minder gevoelig voor multi-path. Hierdoor kan Bluetooth met succes worden geïmplementeerd zonder uitgebreide RF locatie reviews en planning. Het systeem is zeer goed bestand tegen ruis en interferentie.

Zigbee
Zigbee is gebaseerd op IEEE 802.15.4, een laagvermogen draadloze radio standaard waarmee verschillende protocollen bovenop de standaard radio kunnen worden gebouwd. Zigbee is opgezet om laagvermogen sensornetwerken die grote oppervlakken coveren, te ondersteunen. Zigbee gebruikt meshing netwerk technologie en een zeer agressief energieprofiel om te voldoen aan de behoeften van deze nichemarkt. Zigbee's protocol is ontworpen voor korte inschakel- en afschakeltijden, resulterend in energiebesparing. Verschillende andere protocollen zijn gebouwd op 802.15.4, waaronder ISA100, WirelessHART en 6LoWPAN.

Bluetooth Low Energy
Bluetooth Low Energy (BLE) wordt geïntroduceerd als een update voor de Bluetooth standaard. Gebruikmakend van een aantal van de technieken die worden gebruikt in 802.15.4, is BLE, vergeleken met ZigBee, zelfs in staat om lagere vermogenpunten te bereiken; tevens ondersteunt het veel van de functies afkomstig uit de Zigbee standaards..

Het selecteren van de juiste standaard
De vraag is nu voor welke standaard je moet kiezen? Dat hangt af van de systeemeisen. In het kort komt het er op neer dat WiFi de grootste bandbreedte en meest uitgebreide stack heeft, maar dat daarentegen Bluetooth, BLE en Zigbee de juiste functionaliteit voor bepaalde toepassingen bieden. Als het bijvoorbeeld gaat om het bewaken van batterijgevoede sensoren over een zeer groot gebied, kan Zigbee de ideale standaard zijn. Bluetooth/BLE werkt goed als point-to-point technologie ter vervanging van kabels, of voor het bewaken van sensoren in een kleiner gebied. BLE heeft een enorme installed base van tablets en telefoons, waardoor het een uitstekende keuze is voor mens/machine interfaces.

Hoewel de technologie standaards kunnen variëren, is er geen twijfel mogelijk, dat in de nabije toekomst steeds meer toepassingen draadloos zullen worden verbonden. Door de opkomst van het Industrial IoT zullen miljarden apparaten op het internet moeten worden aangesloten, waarbij veel van deze aansluitingen ongetwijfeld draadloos zullen zijn.

Samenvatting van de voor- en nadelen van elke standaard:

1) WiFi
      a. Voordelen
           i. Meeste bandbreedte tot 600Mbits/s met 802.11n
           ii. Vaste 25 MHz of grotere kanalen
           iii. Ondersteuning voor 2.4 en 5 GHz kanalen
           iv. Uitgebreide beveiligingsfuncties
      b. Nadelen
           i. Bereik is kleiner met hogere datasnelheden en 5GHz
          ii. Niet geschikt voor batterijgevoede sensoren

2) Bluetooth/BLE
      a. Voordelen
            i. Zeer laag vermogen
           ii. Breed toegepast
           iii. Zeer goede prestaties in drukke of lawaaiige draadloze omgevingen
           iv. Gebruiksgemak, geen frequentieplanning of site map eisen
      b. Nadelen
           i. Maximale datasnelheid van 2Mbits/s
           ii. Geen automatische roaming standaard

3) Zigbee
      a. Voordelen
           i. Zeer laag vermogen
           ii. Vaste kanalen tussen WiFi-kanalen in 2,4 GHz-band
           iii. Ondersteuning voor sub 1 GHz banden
      b. Nadelen
           i. Gecompliceerd mesh netwerk
          ii. Maximale bandbreedte van 250Kbits/s.

Over de auteur: Tom McKinney is Business Development Manager bij HMS Labs - HMS Industrial Networks' initiatief voor innovaties. Tom heeft jarenlang ervaring op het gebied van engineering management met betrekking tot wireless, VoIP en 1394 technologie en is een frequent auteur en docent op het gebied van draadloze technologieën.
This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.. Meer over draadloze oplossingen voor industriële communicatie op www.anybus.com

Tom McKinney, Business Development Manager bij HMS Industrial Networks

  Meer weten…