A legsűrűbben használt vezeték nélküli szabványok és protokollok világa

A cikk átfogó képet ad a modern IoT rendszerek legfontosabb vezeték nélküli technológiáiról, beleértve a WiFi-t, Bluetooth/BLE-t, Zigbee-t, a 433/868 MHz-es rádiós megoldásokat és a GPS/GNSS helymeghatározást.
Szerző: HESTORE Hungary Kft. / Ecker János

Ebben a cikkben áttekintjük a modern elektronikai és IoT rendszerekben leggyakrabban alkalmazott vezeték nélküli szabványokat. A WiFi-től a Bluetooth/BLE-n át a Zigbee-ig, valamint a 433 és 868 MHz-es egyszerű rádiós megoldásokig több technológia működését, előnyeit, hátrányait és tipikus felhasználási területeit is bemutatjuk. Röviden kitérünk a GPS/GNSS rendszerek szerepére is, mivel a helymeghatározás számos okos eszköz működésének nélkülözhetetlen része.

Mit fogunk áttekinteni?

• A WiFi szabványcsalád evolúciója és IoT használata
• A Bluetooth Classic és a BLE energiatakarékos működésének ismertetése
• A Zigbee protokoll mélyebb megértése (mesh hálózat, profilok, csatornák)
• A 433 MHz és 868 MHz-es egyszerűbb rádiós megoldások jellemzői
• A GPS/GNSS rendszerek szerepe, jelrendszerei, pontossági lehetőségei
• Protokollok összehasonlítása – amikor IoT rendszer tervezésekor választani kell

1. WiFi – a nagy sávszélességű IoT alapköve

A WiFi (IEEE 802.11) több évtizede az egyik legelterjedtebb vezeték nélküli technológia.

1.1. Főbb verziók és jellemzők

1.2. Miért használható jól IoT-ban?

• meglévő háztartási hálózatokra építhetünk
• nagy adatátvitel (kamerák, switchek, routerek)
• egyszerű integráció ESP32 és ESP8266 modulokkal, melyeket a HESTORE-ban is gyakran megtalálunk

1.3. Hátrányai

• a 2.4 GHz zsúfolt
• energiafogyasztása magasabb a többi IoT-fókuszú technológiánál

2. Bluetooth és BLE – rövid távolság, minimális fogyasztás

A Bluetooth két, céljait tekintve eltérő technológiát jelent:

Bluetooth Classic és Bluetooth Low Energy (BLE).

A Bluetooth Classic főként BR/EDR (Basic Rate/Enhanced Data Rate) a nagy adatátvitelre, míg a BLE az alacsony fogyasztásra fókuszál.

2.1. Bluetooth Classic

• hangátvitel, headsetek
• nagyobb adatsebesség, de magasabb fogyasztás
• tipikus verziók: 2.0, 3.0, 4.0+EDR

2.2. BLE – a modern IoT egyik alapja

BLE a Bluetooth 4.0 óta külön csatornát, csomagstruktúrát és energiamodellt használ.

Főbb jellemzők:

• alacsony energiafogyasztás, hosszú akkumulátoros üzemidő
• kisméretű adatcsomagok
• gyors kapcsolatfelépítés

BLE tipikusan hordozható szenzoroknál használatos: pulzusmérők, hőmérők, lakás szenzorok.

Az ESP32 modulok beépített BLE-támogatása (amely a HESTORE-ban elérhető eszközök egyik vonzereje) megkönnyíti az integrációt.

3. Zigbee – a hálózatos érzékelők királya

A Zigbee (IEEE 802.15.4) kifejezetten alacsony adatforgalomra és nagyon energiahatékony működésre készült.

3.1. Műszaki jellemzők

• működési frekvencia: 2.4 GHz (világszerte), 868 MHz (EU), 915 MHz (USA)
• adatsebesség: max. 250 kbps (2.4GHz-en), 20-40 kbps (868MHz-en)
• topológia: mesh (routerek és végpontok)
• koordinátor szükséges: központi koordinátort igényel. Ez a Zigbee hálózat (PAN - Personal Area Network) központja.

3.2. Zigbee profilok

A szabvány több alkalmazási profilt határoz meg:

• Home Automation
• Light Link
• Smart Energy

Ezek biztosítják, hogy a különböző gyártók eszközei egymással kompatibilisek legyenek.

3.3. Előnyök

• nagy, önjavító hálózat
• nagyon alacsony fogyasztás
• megbízható kommunikáció
• akár 50–100 eszköz is kezelhető egyetlen koordinátorral (pl. CC2652, amely a HESTORE kínálatában megtalálható)

3.4. Hátrányok

• központi koordinátort igényel
• konfigurációja összetettebb, mint a WiFi-é

4. 433 MHz és 868 MHz – klasszikus rádiós megoldások

A 433 és 868 MHz-es sávok az ISM frekvenciasávok részét képezik, egyszerűbb, sokszor moduláció nélküli vagy egyszerű protokollokat használnak.

4.1. 433 MHz – OOK/ASK alapú kommunikáció

Ez a sáv a legelterjedtebb az egyszerű fogyasztói eszközök között. OOK (On-off keying)/ASK (Amplitude-shift keying) lényegében amplitúdó modulációt, jellemzően ki-be kapcsolt vivőfrekvenciát használ.

Előfordulási területek:

• vezeték nélküli hőmérők
• kapunyitók
• csengők
• távirányítók

Jellemzők:

• akár 100–200 m hatótáv
• egyszerű moduláció (ASK/OOK)
• általában nincs titkosítás, azaz könnyebben zavarhatóak (nem tartalmaznak hopping-ot vagy titkosítást, ami könnyen sebezhetővé teszi őket a zavarással szemben, de van kivétel: pl. KeeLoq Rolling code)

4.2. 868 MHz – modern, stabilabb alternatíva

Ez a frekvencia Európában engedély nélkül, de szigorúbb időkeretek mellett használható.

Itt találkozhatunk például:

• LoRa-val
• bizonyos Zigbee regionális variánsokkal
• hosszú távú szenzorhálózatokkal

868 MHz LoRa: A LoRa egy fizikai réteg (moduláció), amihez a LoRaWAN egy MAC réteg (hálózati protokoll), és ez teszi lehetővé a kilométeres hatótávot

868 MHz Zigbee: 868-en regionális Zigbee variánsok találhatók.

Miért népszerű?

• kevésbé zsúfolt
• sokkal nagyobb hatótáv érhető el LoRa modulokkal
• ideális kültéri vagy ipari érzékelőhálózatokhoz

A HESTORE-ban elérhető SX1278 modul például jó kiindulási pont a 868 MHz-es LoRa-projektekhez.

5. GPS/GNSS – globális helymeghatározási rendszerek

A GNSS gyűjtőnév magában foglalja például:

• GPS (USA)
• GLONASS (Oroszország)
• Galileo (EU)
• BeiDou (Kína)

5.1. Működési elv

• műholdak adják a pontos időt és saját pozíciójukat
• a vevő háromdimenziós pozíciót számít trilaterációval (három koordináta együttes használatával)
• pontosság jellemzően 2–5 méter, RTK módszerrel akár centiméteres is lehet

Fontos megjegyezni, hogy mérésalapú a pozíciómeghatározás (ranging), mivel a vevő nem távolságot mér, hanem a műholdjel vételének idejét (illetve az ebből számolt pseudo-range távolságot), így ezeket hasonlítja össze. Négy műholdra van szükség a pontos háromdimenziós pozíció (x, y, z) és az óraelcsúszás (tdiff) meghatározásához.

5.2. Felhasználás

• nyomkövetők
• robotfűnyírók
• mezőgazdasági gépek
• kültéri IoT állomások

A HESTORE-ban kapható GNSS modulok, például az LC29H sorozat, már több műholdrendszer együttes használatát is támogatják, így sokkal gyorsabb és stabilabb pozíciófixet biztosítanak.

Protokollok összehasonlítása

Kapcsolódó, közkedvelt termékek

Termék ajánlás	Kapcsolódó techológia	Kosár
ESP32-C3-SUPERMINI, ESP32-C3 Super Mini fejlesztőpanel, 4MB Flash, 32 bites RISC-V, 160MHz, 2.4GHz Wi-Fi (802.11 b/g/n), Bluetooth 5	WiFi, Bluetooth, BLE	ESP32-C3-SUPERMINI 100.480.18 1+: € 2.844
ESP-WROOM-32-ESP32S, ESP-WROOM-32 ESP-32S dual core WIFI modul, microUSB-vel	WiFi	ESP-WROOM-32-ESP32S 100.446.79 1+: € 5.503
ESP32-S3-Zero, ESP32-S3FH4R2 dual-core processor, 240MHz, 2.4GHz Wi-Fi, Bluetooth® 5 (LE)	WiFi, Bluetooth, BLE	ESP32-S3-Zero 100.469.07 1+: € 5.969
SXESP32-096/868Mhz-V3, SX1262 ESP32 alapú IoT és LoRa modul, 0.96 inch OLED-del, 868-915MHz	LoRa 868MHz	SXESP32-096/868Mhz-V3 100.445.69 1+: € 21.895
RA-02-M, SX1278 LoRa modul, 433MHz, IPEX antenna csatlakozó	LoRa 433.92MHz	RA-02-M 100.463.19 1+: € 5.869
SX1262-LORA-HAT/868MHz, SX1262 LoRa HAT modul Raspberry Pi-hez, 868MHz	LoRa 868MHz	SX1262-LORA-HAT/868MHz 100.408.43 1+: € 34.904
LORA-ANT868, LoRa antenna 0...90°, 868MHz	LoRa 868 MHz	LORA-ANT868 100.416.71 1+: € 1.978
TH05F, Bluetooth hőmérséklet és páratartalom mérő, kijelzővel, Tuya Smart APP, -10...60°C, 3V DC (CR2032) BTHome-ra áthackelhető HomeAssistanthoz :)	Bluetooth BLE	TH05F 100.474.84 1+: € 6.217
BT0067, Bluetooth adapter (dongle), USB A dugó, RTL8761BW chipset, 3Mbps, 150m	Bluetooth BLE	BT0067 100.486.98 1+: € 10.885
UB500, Bluetooth 5.0+BLE USB Adapter, dongle	Bluetooth BLE	UB500 100.474.34 1+: € 8.829
ZBDONGLE-E, ZigBee 3.0 USB gateway	ZigBee	ZBDONGLE-E 100.481.31 1+: € 22.707
ARF433-REL-2CH-2TX, Kétcsatornás távirányító építőkészlet, 433MHz, 12V, 2 távirányítóval	433MHz	ARF433-REL-2CH-2TX 100.405.84 1+: € 15.922
RF433-LC, 433MHz RF adó-vevő pár, ASK/OOK moduláció	433MHz	RF433-LC 100.355.12 1+: € 1.797
NEO-7M-SMA-F, NEO-7M alapú Ublox GPS modul EEPROM-mal, SMA anya	GPS/GNSS	NEO-7M-SMA-F 100.488.42 1+: € 6.230
GY-NEO8MV2, GPS modul, PX4 Pixhawk, APM, Arduino	GPS/GNSS	GY-NEO8MV2 100.387.41 1+: € 10.306
LC29H-AA-GNSS, LC29H(AA) alapú GPS modul, GNSS vevő, L1+L5, nem RTK, Pi Hat	GPS/GNSS	LC29H-AA-GNSS 100.479.06 1+: € 69.726

Összegzés – hogyan válasszunk?

Az ideális vezeték nélküli technológia kiválasztása nagyban függ attól, mekkora hatótávot, mekkora adatátvitelt, milyen fogyasztást és milyen hálózati struktúrát szeretnénk. Érdemes megfontolni, hogy:

• nagy adatforgalom esetén a WiFi a nyerő;
• szenzorok hosszú üzemidejéhez a BLE vagy Zigbee ideális;
• egyszerű kapunyitók, hőmérők esetén a 433 MHz bőven elég;
• kültéri kilométeres kommunikációra a 868 MHz-es LoRa a legjobb választás;
• helymeghatározáshoz pedig GNSS-modulra van szükség.

A HESTORE-ban széles kínálat érhető el mindegyik technológiához, így könnyedén megtalálható a projekthez illeszkedő modul.

A cikkben említett szabványok és márkanevek az érintett vállalatok védjegyei.