Wśród technologii bezprzewodowych, które cieszą się największą popularnością, można wskazać: radiomodemy, urządzenia WiFi oraz modemy GSM/GPRS. W artykule porównano te trzy technologie pod kątem oferowanych funkcjonalności i wynikających z tego zastosowań.

Transmisja bezprzewodowa stosowana jest wszędzie tam, gdzie połączenie kablowe jest trudne do wdrożenia lub jest zbyt drogie w realizacji, np. systemy telemetrii, przesyłanie sygnałów alarmowych, jak również zdalne sterowanie i monitoring. Wysoka niezawodność, łatwa konfiguracja oraz nowe metody zabezpieczania przesyłanych danych sprawiają, że rynek systemów bezprzewodowych rozwija się bardzo szybko. Podstawowym sposobem, w jaki można podzielić technologie bezprzewodowe, jest rodzaj sieci, w jakiej pracują urządzenia. Wyróżnia się sieci prywatne (radiomodemy, WiFi, WiMax) lub abonamentowe (sieci komórkowe i satelitarne). Już sam ten element przekłada się na szybkość instalacji, koszty użytkowania oraz dostępność systemu. Kolejnym ważnym parametrem różnicującym technologie bezprzewodowe jest częstotliwość pracy. Dla radiomodemów SATEL będzie to 150/450/900 MHz, dla urządzeń WiFi jest to 2,4/5,4 GHz, natomiast dla modemów GSM jest to 900 MHz. Ten parametr decyduje w dużej mierze o zasięgach komunikacji oraz możliwości pracy w paśmie wolnym (bez pozwoleń) lub licencjonowanym (własna sieć). O przeznaczeniu danego pasma oraz poziomie maksymalnej mocy nadawczej decyduje Urząd Komunikacji Elektronicznej. Warto również zwrócić uwagę, że niższe częstotliwości pracy zapewniają lepszą propagację fal i większe zasięgi, ale mniejszą szerokość kanału dla danych użytkownika. Natomiast częstotliwości wyższe zapewniają większe prędkości, ale znacznie mniejsze zasięgi.

Pasma częstotliwości dla popularnych technologii bezprzewodowych

NABRA  (Narrow Band Radiomodems)

Wśród rozwiązań bezprzewodowych oferowanych przez firmę Astor, największą popularnością cieszą się radiomodemy SATEL. Dzięki wysokiej niezawodności, ich powszechnymi zastosowaniami są zdalne sterowanie i monitoring. Zasięg komunikacji dla tych urządzeń może dochodzić do kilkudziesięciu kilometrów. Możliwe jest zwiększenie zasięgu w oparciu o funkcję retransmisji sygnału, którą może pełnić dowolny z radiomodemów. Technologia radiomodemowa daje użytkownikowi możliwość wyboru pasma, w jakim będą pracowały urządzenia. Dostępne jest pasmo wolne – ogólnodostępne – oraz pasmo niezależne – „własna” częstotliwość, w tym przypadku sieć radiowa jest własnością danego przedsiębiorstwa (użytkownik sieci radiomodemowej całkowicie uniezależnia się od zewnętrznego operatora oraz innych pracujących układów radiowych). Innymi ważnymi cechami sieci radiomodemowej są: skalowalność, a więc możliwość łatwego rozbudowywania niewielkich systemów składających się z kilku urządzeń do bardzo dużych aplikacji, oraz intuicyjne oprogramowanie narzędziowe, które poza konfiguracją pozwala na zdalne zarządzanie całym systemem radiowym. System Zarządzania Siecią (NMS) poprawia niezawodność układu, pozwalając przewidzieć problemy i rozwiązać je bez wyjazdów w teren. Umożliwia monitorowanie w czasie rzeczywistym kluczowych parametrów diagnostycznych, takich jak: poziom sygnału odbieranego (RSSI), napięcie zasilania oraz temperatura pracy radiomodemu. Poza istotnymi zaletami tego typu sieci, należy również wspomnieć o większym koszcie uruchomienia systemu, ze względu na konieczność przygotowania infrastruktury. W wielu aplikacjach wyższy początkowy koszt inwestycji we własną sieć radiową rekompensuje późniejsza, praktycznie bezkosztowa eksploatacja. Ze względu na brak opłat za przesyłane dane, komunikacja pomiędzy obiektami może przebiegać w sposób ciągły „on-line”, co jest szczególnie istotne w bardziej odpowiedzialnych systemach. Do ograniczeń komunikacji radiomodemowej należy natomiast zaliczyć maksymalną prędkość komunikacji, która ze względu na niewielką szerokość kanału radiowego może nie być wystarczająca dla aplikacji, w których przesyłane są duże ilości informacji.

WIFI (Wireless Fidelity)

Rozwiązania bezprzewodowe pracujące w oparciu o technologię WiFi, np. seria Jet-Wave marki Astraada, wykorzystują do transmisji pasmo wolne 2,4 oraz 5,4 GHz. Ze względu na duże szerokości kanału komunikacji, transmisja danych użytkownika może odbywać się z dużymi prędkościami, dochodzącymi nawet do 100 Mbps. Dzięki temu urządzenia WiFi dobrze sprawdzają się w monitoringu wideo (IP) oraz jako element przesyłający dane produkcyjne (pochodzące z urządzeń sterujących) do centrum zarządzania produkcją. Kolejną ważną zaletą tych urządzeń jest kompatybilność z technologią PoE, która pozwala na wykorzystanie kabla, którym normalnie przesyłane są dane użytkownika, do równoczesnego zasilania urządzenia. Dzięki temu nie ma konieczności doprowadzania oddzielnego okablowania zasilającego, co jest źródłem znacznych oszczędności na etapie wdrożenia systemu. Istotną zaletą jest również wsparcie dla protokołu Ethernet, który w ostatnich latach zyskał dużą popularność w aplikacjach przemysłowych. Również konfiguracja urządzenia jest bardzo prosta, co przyspiesza proces uruchomienia systemu. Natomiast do ograniczeń tej technologii należy zaliczyć mniejsze zasięgi komunikacji i konieczność zapewnienia widoczności optycznej, co może być źródłem dodatkowych kosztów (maszty, testy itd.). Ważny jest również aspekt bezpieczeństwa i zajętości sieci, które wiążą się z popularnością tej technologii na rynkach nieprzemysłowych. Przydatne są tu specjalne algorytmy szyfrujące jak WPA2, które dzięki zastosowaniu dynamicznych kluczy 128-bitowych, stanowią solidną ochronę przed nieuprawnionym dostępem do sieci. Wybrane urządzenia WiFi dostępne są w obudowie o stopniu ochrony IP67, ponadto mogą pracować w temperaturze od -30 do 70oC, dzięki czemu mogą być instalowane na zewnątrz obiektów bez obawy o uszkodzenie na skutek niekorzystnych warunków atmosferycznych.
GSM/GPRS (Global System for Mobile Communications)

Jednym z podstawowych powodów, dla których użytkownicy decydują się na wymianę danych w technologii GSM, jest duży zasięg komunikacji oraz dostępność w prawie każdym miejscu. Bezpieczne połączenie z rozproszonymi obiektami terenowymi na potrzeby zdalnej diagnostyki oraz serwisu z jednego miejsca ułatwia obsługę systemów z branży wod-kan, dystrybucji energii oraz zarządzania infrastrukturą drogową i budynkową. Komunikacja w standardzie GSM jest w dużej mierze niewrażliwa na przeszkody terenowe oraz nie wymaga montażu masztów antenowych. Dzięki temu wdrożenie takiego systemu jest bardzo proste i szybkie. Należy tutaj jednak wspomnieć o kosztach, jakie trzeba ponieść z tytułu przesyłania danych za pośrednictwem infrastruktury należącej do operatora sieci komórkowej. Opłaty naliczane są na podstawie ilości danych przesłanych przez sieć. W przypadku niedużych instalacji, gdzie ilość przesyłanych danych jest stosunkowo mała lub są one przesyłane rzadko, koszty są niewielkie. Natomiast w systemach, gdzie pracuje kilkadziesiąt urządzeń, a dane przesyłane są częściej, koszty transmisji będą proporcjonalnie wyższe. W celu ograniczenia kosztów, np. modemy GSM Astraada oferują funkcję komunikacji zdarzeniowej, która uzupełnia komunikację cykliczną o natychmiastowe przesłanie danych do systemów nadrzędnych w razie zaistnienia określonego warunku (alarmu). Wykorzystanie infrastruktury operatorów komórkowych, które jest zaletą od strony kosztowej, dla wielu aplikacji może być istotnym zagrożeniem związanym z brakiem wpływu na przerwy w komunikacji i zmiany w dostępności systemu. Mogą one wynikać z przeciążeń sieci lub migracji systemów z technologii GPRS do nowszych technologii jak WCDMA i LTE. Modemy GSM mogą zostać podłączone do dowolnego urządzenia wyposażonego w interfejs RS232/485 lub Ethernet i obsługującego protokół Modbus RTU oraz Modbus TCP. Niestety z reguły nie ma tutaj wsparcia dla innych protokołów komunikacyjnych. Prędkość transmisji danych może dochodzić do 53,6 kbps, a opóźnienia związane z inicjacją i przekazem danych wynoszą około 300 ms.

Podsumowanie

Każda z przedstawionych technologii ma swoje mocne, jak i słabe strony. W związku z tym trudno jednoznacznie stwierdzić, że któraś z opisywanych metod komunikacji jest najlepsza dla każdej aplikacji. Dobierając technologię należy zwrócić uwagę, co jest głównym czynnikiem mającym wpływ na działanie systemu: czy jest to niezawodność, szybkość wymiany danych, czy może rozproszenie geograficzne obiektów.

Paweł Podsiadło
Autor pracuje jako specjalista
ds. systemów bezprzewodowych
w firmie Astor