บทความนี้จะชี้ให้เห็นถึงข้อดีและข้อเสียของตัวเลือกการเชื่อมต่อสำหรับการออกแบบอุปกรณ์ไอโอที
การเชื่อมต่ออินเตอร์เน็ตที่อพาร์ตเมนต์ของฉันนั้นช้า และขาดความเสถียรโดยเฉพาะเมื่อฉันใช้อินเตอร์เน็ตในการสตรีมมิ่ง เช่น เน็ตฟลิกซ์ (Netflix) ประสบการณ์ที่ฉันได้รับในการใช้งานที่ผ่านมา ทำให้ฉันต้องคาดเดาว่าจะสามารถดูซีรีย์ได้จบเรื่องหรือไม่ เพราะตอนนี้ฉันยังดูไม่ถึงภาคที่ 2 ของซีรีย์เรื่องเดอะคราวน์ (The Crown) เลย
มุมมองของฉันเกี่ยวกับความเร็วของเครือข่ายนั้นแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงเมื่อเปรียบเทียบกับตอนที่ฉันทำงานออกแบบ IoT อยู่ที่ออฟฟิศ ตัวอย่างเช่น เมื่อสัปดาห์ที่แล้วฉันกำลังกำหนดค่าเซ็นเซอร์ของเครื่องตรวจจับสภาพอากาศในระยะไกลเพื่อให้เครื่องสามารถส่งแพ็กเก็ตข้อมูลขนาดเล็กเป็นครั้งคราวไปยังเซิร์ฟเวอร์คลาวด์
ความเรียบง่ายของแอพพลิเคชั่นนี้ทำให้ฉันรับรู้ว่า ความเร็วอินเตอร์เน็ตขนาด 10 เมกะบิตต่อนาที (Mbps) ที่ฉันใช้ในการสตรีมซีรีย์เรื่อง The Crown บนเครือข่ายที่บ้านของฉันดูช้าไปทันที
การทำงานของอุปกรณ์ของ IoT นั้นไม่จำเป็นต้องตอบสนองต่อพฤติกรรมของมนุษย์โดยตรง อุปกรณ์ IoT จะไม่ถูกใช้ในการตรวจสอบอีเมล (โชคดีที่เป็นอย่างนั้น) หรือใช้เป็นเครื่องมือที่สร้างความเพลิดเพลินในการรับชมรายการทีวีสตรีมมิ่ง ดังนั้นอุปกรณ์ IoT จึงไม่ต้อง การรับส่งข้อมูลในอัตราความเร็วสูง เมื่อเปรียบเทียบกับการใช้งานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค
ถึงกระนั้นอุปกรณ์ IoT ได้สะท้อนพฤติกรรมทางสังคมของมนุษย์ กล่าวคือมนุษย์จะรวมกลุ่มกันในชุมชน ระบบ IoT มักประกอบด้วย อุปกรณ์ที่เชื่อมต่อกันจำนวนเป็นร้อยหรือเป็นพัน เมื่อเกิดการเชื่อมต่อในระดับนั้น การพิจารณาการออกแบบในจุดเล็กๆ ถือว่ามีความสำคัญ ต่อการสร้างความสำเร็จของผลิตภัณฑ์ตัวนั้นของคุณเป็นอย่างมาก
การตัดสินใจข้อหนึ่งที่ท้าทายต่อการออกแบบอุปกรณ์ของคุณ คือ คุณจะวางแนวทางการเชื่อมต่ออุปกรณ์ของคุณเข้ากับเครือข่ายได้อย่างไร
คู่มือนี้จะทำให้คุณเห็นภาพรวมของวิธีการเชื่อมต่อของ IoT ที่ใช้งานกันทั่วไป เมื่อคุณได้เข้าใจถึงตัวเลือกแต่ละตัวแล้ว คุณจะชั่งน้ำหนัก และ พิจารณาว่าคุณต้องการใช้ ‘ไอ’ หรือ อินเตอร์เน็ตในการออกแบบอุปกรณ์ IoT ของคุณอย่างไร
อีเธอร์เน็ต (Ethernet)
Ethernet เป็นวิธีการที่รวดเร็ว และเชื่อถือได้ในการเชื่อมต่อสิ่งต่างๆ เข้ากับอินเทอร์เน็ต การเชื่อมต่อประเภทนี้พบได้ทั่วไป ในอุตสาหกรรม และการสร้างระบบอัตโนมัติ การเชื่อมต่อของ Ethernet เหมาะสำหรับการใช้งานในระบบที่มีหลายโหนด (nodes) ในเครือข่ายเดียวกัน
ถึงแม้ว่าจะไม่มีเครือข่ายไหนที่มีความปลอดภัยแบบไร้ที่ติ Ethernet มีความปลอดภัยในระดับหนึ่ง เมื่อเปรียบเทียบให้เห็นภาพคือในกรณีที่มีผู้บุกรุก แฮ็กเกอร์ที่จะบุกเข้าไปในเครือข่าย Ethernet ส่วนตัวจากระยะไกล จำเป็นต้องใช้ความพยายามอย่างมาก ที่จะแฮ็กเข้ามาใช้งาน นอกจากนี้ Ethernet มีส่วนที่เรียกว่า เพาวเวอร์ โอเวอร์ อีเธอร์เน็ต Power Over Ethernet (PoE) ซึ่งมอบความสะดวกสบายในการใช้งาน PoE สามารถในการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ของคุณผ่านสาย Ethernet เส้นเดียวกัน ทำให้คุณไม่จำเป็นต้องใช้สายไฟแยก
อย่างไรก็ตามการต่อสายแบบฮาร์ดไวร์ริ่ง (Hardwiring) นั้นมีความท้าทายในด้านการออกแบบและไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานทุกประเภท กล่าวคือโหนดที่ เชื่อมต่อด้วย Ethernet จะต้องอยู่ใกล้กับเราเตอร์ แม้จะเป็นการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ในระยะทางสั้น ๆ เช่นระบบอัตโนมัติของบ้าน และอาคาร ระบบเดินสายของ Ethernet นั้นมีขนาดใหญ่มาก จนสร้างความยากลำบากที่การจัดการ และการซ่อนสายไฟ อาคารที่ทันสมัยสามารถออกแบบเพื่อรองรับระบบไฟส่องสว่างอัตโนมัติ แต่การติดตั้งระบบ Ethernet เพื่อรองรับการใช้งานแบบ IoT ในอาคารที่ไม่ได้ออกแบบมาโดยเฉพาะมักจะเป็นไปได้ยาก
วายฟาย (Wi-Fi®)
Wi-Fi เป็นตัวเลือกในการเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตที่หลายคนนึกถึงและเป็นเหตุผลหลักที่ทำให้คุณยายชอบโทรหาฉัน Wi-Fi ให้ความเร็วและ การเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตโดยตรงแบบไร้ข้อจำกัด ในเรื่องการเดินสายของ Ethernet อุปกรณ์หลักยังสามารถใช้งานร่วมกับ Wi-Fi ได้ซึ่งหมายความว่าการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ที่คุณการออกแบบสามารถทำได้ง่ายเพียงแค่เอื้อมหยิบมือถือหรือแล็ปท็อป
แม้ว่า Wi-Fi จะถูกใช้งานอย่างแพร่หลาย แต่การเพิ่มความสามารถของ Wi-Fi ให้กับการออกแบบแบบเชิงซ้อนมีความซับซ้อน นอกจากนี้ Wi-Fi ได้รับความสนใจเพราะมีรูปแบบการใช้งานแบบไร้สายและรวดเร็ว แต่ฟีเจอร์เหล่านั้นทำให้เกิดมาจากความเสี่ยง ด้านความปลอดภัย และการสิ้นเปลืองพลังงาน ด้วยเหตุนี้ การออกแบบ IoT ที่ใช้ Wi-Fi จึงจำเป็นต้องมีวิศวกรผู้ทำหน้าที่สร้างความสมดุล ระหว่างความปลอดภัยของระบบ พลังงานที่อุปกรณ์ต้องใช้ และต้นทุนอย่างละเอียด
โชคดีที่มีทางออกในปัจจุบันที่ช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบ Wi-Fi การใช้โมดูล Wi-Fi ที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับกับ IoT จะทำให้การออกแบบของคุณง่ายขึ้นและประหยัดเวลาในการพัฒนาโมดูลเช่น ATWINC1500 ได้รับการรับรองอย่างสมบูรณ์ ที่รองรับโปรโตคอล (protocol) ความปลอดภัยและได้รับการปรับให้เหมาะกับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ ดังนั้น คุณจะสามารถใช้งาน Wi-Fi ในการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ต่างๆ ได้โดยไม่ต้องลดทอนต้นทุนและการใช้พลังงานของอุปกรณ์นั้นๆ
เครือข่ายสื่อสารแบบกว้างที่เน้นการใช้พลังงานต่ำ หรือ Low Power Wide Area Network (LPWAN)
LPWAN นั้นพบได้น้อยในผลิตภัณฑ์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภาค ดังนั้นคุณอาจไม่คุ้นชินกับมัน อย่างไรก็ตาม LPWAN ได้รับความนิยมอย่างมากในระบบ IoT ที่ต้องการช่วงสัญญาณที่กว้างในการรับส่งข้อมูล เช่น การตรวจสอบสภาพสิ่งแวดล้อม
ความได้เปรียบในการใช้อุปกรณ์ IoT สำหรับการตรวจสอบสภาพสิ่งแวดล้อม คือเราสามารถตรวจสอบพื้นที่ในชนบท นอกชายฝั่งและ พื้นที่ที่ไม่สามารถเข้าถึงได้โดยทั่วไป เมื่อคุณไม่สามารถชาร์จพลังงานเบื้องต้นให้กับอุปกรณ์ที่ลอยอยู่ในร่องลึกบาดาล มาเรียนา หรือเชื่อมต่ออุปกรณ์เข้ากับ Wi-Fi ในทะเลทรายโซโนรา
โดยทั่วไปแล้วระยะทางสูงสุดในการใช้ LPWAN จะอยู่ประมาณ 10 กิโลเมตร (กม.) ถึงแม้ว่าข้อมูลจะถูกถ่ายโอนในอัตราที่ช้ามาก คุณอาจไม่ต้องการการเชื่อมต่อด้วยอินเตอร์เน็ตความเร็วสูง เว้นแต่ว่าอุปกรณ์ IoT ของคุณถูกใช้เพื่อเช็คอีเมลและเล่นวิดีโอ
LPWAN นิยมใช้ในด้านการเกษตรและการทำงานระยะไกล อย่างไรก็ตามผู้คนค่อยๆ หันมาเริ่มใช้งาน LPWAN มากขึ้น โดยเฉพาะในเขตเมืองที่กำลังเพิ่มการใช้งานมากขึ้นและนำไปใช้งานเชิงพาณิชย์ ซึ่ง LPWAN ได้รับความนิยมเป็นอย่างมาก ในอเมริกาเหนือที่ใช้เพื่อติดตามยานพาหนะในล็อตประมูล
LPWAN มีสองโปรโตคอลหลัก: LoRaWAN™ (ย่อจากคำว่า Long Range หรือ LoRa®) และ Sigfox ข้อแตกต่างระหว่างสองอย่างนี้คือราคา ซึ่ง ซิกฟอกซ์ (Sigfox) จะเป็นการให้บริการแบบสมัครสมาชิก และดำเนินงานคล้ายกับเครือข่ายโทรศัพท์มือถือ หาก Sigfox มีให้บริการในพื้นที่ของคุณ คุณสามารถเชื่อมต่อผ่านการสมัครสมาชิกกับผู้ให้บริการในท้องถิ่น สำหรับการใช้งาน LoRaWAN นักพัฒนาซอฟต์แวร์สามารถหลีกเลี่ยงค่าธรรมเนียมการสมัครสมาชิกโดยการสร้างเครือข่ายที่สร้างขึ้นมาเอง ที่เรียกว่า “do-it-yourself” แต่ผู้ใช้งานส่วนใหญ่ยังคงเลือกใช้โครงสร้างพื้นฐานของ LoRa และชำระค่าธรรมเนียมต่อการใช้งาน
เซลลูลาร์ (Cellular)
เซลลูลาร์ครอบคลุมพื้นที่การใช้งานส่วนใหญ่ของโลก สำหรับระบบสมองกลฝังตัวที่ต้องใช้ช่วงการรับส่งข้อมูลของเซลลูลาร์ เซลลูลาร์จะเป็น เพียงตัวเลือกเดียว อย่างไรก็ตามข้อจำกัดของการใช้งานของเซลลูลาร์ คือ ราคาแพง คุณต้องใช้งานผ่านผู้ให้บริการและคุณไม่สามารถตั้งค่าเครือข่ายของคุณเองโดยไม่ได้รับอนุญาตจากหน่วยงานรัฐบาล ค่าใช้จ่ายของส่วนประกอบเชิงซ้อน และการสมัครสมาชิกกับผู้ให้บริการสำหรับแต่ละโหนดมักจะมากเกินความจำเป็นในการใช้งาน เมื่อคำนึงถึงประโยชน์ของการเข้าถึงเครือข่ายเซลลูลาร์ที่กว้างขวางแล้วก็ตาม
ดังนั้น สิ่งสำคัญที่คุณต้องคำนึงถึงคือที่ต้องแยกแยะการใช้งาน หากคุณใช้เครือข่ายเซลลูลาร์สำหรับเชื่อมต่อกับอุกปรณ์ต่างต่าง ๆ บิลค่าใช้จ่ายโทรศัพท์ต่อเดือนที่ออกมาอาจจะทำให้คุณกระอักเลยทีเดียว อย่างไรก็ตามเครือข่ายเซลลูล่าร์เฉพาะใช้งานกับอุปกรณ์ IoT นั้น กำลังได้รับความนิยมและแข่งขันกับการใช้งานของ LPWAN
เครือข่ายโทรศัพท์เคลื่อนที่ใช้งานกับ IoT ที่กำลังเติบโตคือ แอลทีอี ซีเอที-เอ็ม (LTE CAT-M) เอ็ม (M) หมายถึง “เครื่องจักร (machine)” ถึงแม้ว่าต้นทุนจะลดลง แต่การส่งข้อมูลจะทำด้วยความเร็วที่ต่ำ และลดตัวเลือกในการใช้พลังงานให้น้อยลงสำหรับอุปกรณ์ IoT ไปด้วย
คุณอาจคุ้นเคยกับค่าใช้จ่ายที่มีราคาแพงสำหรับการใช้งานเซลลูลาร์แต่แผน CAT-M มักจะมีราคาถูกกว่าแผนผู้บริโภคอย่างมาก ตัวเลือกอื่น ๆ สำหรับการเชื่อมต่อ IoT กับเซลลูล่าร์ ได้แก่ ซีเอที-0 (CAT-0), ซีเอที-1 (CAT-1) และการเชื่อมต่อใหม่ล่าสุด เอ็นบี-ไอโอที (NB-IoT) (เอ็นบี (NB) ย่อมาจาก แนโร่แบรนด์ “ Narrow Band”)
ในขณะที่มีการใช้งานสัญญาณ 5G เราสามารถคาดหวังว่ามันจะผลักดันนวัตกรรมของ IoT ความเร็วที่สูงขึ้นของสัญญาณ 5G สามารถลดขีดจำกัดของการใช้งาน IoT ที่ล้ำสมัยเช่น ยานยนต์อัตโนมัติ แม้ว่าจะมีราคาสูงกว่าเครือข่ายอื่นๆ ที่นำมาใช้คู่กับ IoT ก็ตาม ความครอบคลุมของสัญญาณ 5G นั้นไม่ครอบคลุมเท่า LTE หรือ 3G แต่สัญญาณ 5G กำลังขยายตัวให้ครอบคลุมมากขึ้น นักวิเคราะห์อุตสาหกรรมบางคนคาดการณ์ว่า 5G จะเข้าถึงจำนวนประชากรโลกได้มากถึง 20% ในอีก 5 ปีข้างหน้า
ดาวเทียม (Satellite)
การครอบคลุมของคลื่นโทรศัพท์อาจครอบคลุมพื้นที่ส่วนใหญ่ของโลก แต่จะทำอย่างไรถ้าคุณต้องการเชื่อมต่อสิ่งต่างๆ ในพื้นที่ที่มีกว้างออกไป และห่างไกลจากผู้คน
การเชื่อมต่อดาวเทียมที่ใช้สำหรับ IoT เช่น การขนส่งทางโลจิสติกส์ในพื้นที่ห่างไกลของโลก ซึ่งไม่ครอบคลุมด้วยบริการโทรศัพท์มือถือ ถึงแม้ว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงตามความก้าวหน้าของเทคโนโลยีของดาวเทียม การพัฒนาการใช้งานดาวเทียมคู่กับอุปกรณ์ IoT นั้นยังไม่สามารถใช้งานได้สะดวกสบายเหมือนกับตัวเลือกการเชื่อมต่ออื่น ๆ
กลุ่มดาวเทียมจำนวนมากถูกสงวนไว้สำหรับใช้เพื่อรักษาความปลอดภัย แต่คุณสามารถซื้อโมดูลจาก Iridium® และ ORBCOMM®
บลูทูธ (Bluetooth®)
คุณอาจคุ้นเคยกับการใช้งาน Bluetooth อยู่แล้ว ทั้งแบบคลาสสิกและ Bluetooth ที่ใช้พลังงานต่ำ
(บีแอลอี BLE) มีช่วงสัญญาณสูงสุดเกิน 100 เมตร แต่โดยทั่วไปจะถูกใช้งานสำหรับอุปกรณ์ที่อยู่ห่างกันเพียงไม่กี่เมตร ในชีวิตประจำวันเรารับรู้ว่า Bluetooth เป็นอุปกรณ์เสริมสำหรับโทรศัพท์และพีซีของเรา – รวมถึงหูฟัง คีย์บอร์ดและเทคโนโลยีการแสดงผล
Bluetooth นั้นเป็นตัวเลือกที่เยี่ยมยอดสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค เนื่องจากใช้พลังงานต่ำ (โดยที่ BLE จะใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษ) ซึ่งถูกรองรับอย่างกว้างขวางและจับคู่กับอุปกรณ์อื่นๆ ได้อย่างรวดเร็ว
Bluetooth แตกต่างจาก Wi-Fi เพราะว่ามันไม่ได้เชื่อมต่อกับอินเตอร์เน็ตโดยตรง คุณจะต้องตั้งค่าเกตเวย์เพื่อเชื่อมต่ออินเตอร์เน็ต ในขณะที่การตั้งค่าเกตเวย์ของคุณเองอาจเป็นเรื่องที่น่ากังวลแต่บ่อยครั้ง มันก็ง่ายเหมือนการเชื่อมต่อกับโทรศัพท์ที่เชื่อมต่อกับ Wi-Fi เท่านั้น
Bluetooth 5 เป็นรุ่นที่อัปเดตล่าสุดที่ขยายช่วงสัญญาณของ Bluetooth เพื่อให้สามารถใช้งานในเครือข่ายพื้นที่บ้านของคุณ
ในขณะที่ Bluetooth แบบคลาสสิคและ BLE มักใช้เพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์ที่ห่างกันเพียงไม่กี่เมตรเท่านั้น คุณสามารถเชื่อมต่อบ้านทั้งหลัง Bluetooth 5 ช่วงขยายดังกล่าวทำให้คุณสามารถใช้งาน Bluetooth กับระบบอัตโนมัติภายในบ้าน ระบบไฟและในอุตสาหกรรมได้
การนำคำแนะนำมาปฎิบัติใช้
การเชื่อมต่อด้วยวิธีการเหล่านี้มีความหลากหลาย และความสะดวกสบายในการใช้งานที่แตกต่างกันออกไป การสร้างต้นแบบของอุปกรณ์ของคุณ สามารถทำได้ง่ายขึ้นด้วยการเลือกเชื่อมต่อกับเครือข่ายที่ใช้งานทั่วไปเช่น Bluetooth แบบคลาสสิก และ BLE โดยปกติแล้วคุณมักจะมีอุปกรณ์ที่ต้องใช้งานร่วมกันมากกว่าหนึ่งอย่าง (เช่น โทรศัพท์มือถือของคุณ) Bluetooth จะทำให้คุณสามารถเชื่อมต่อกับต้นแบบอุปกรณ์ของคุณได้อย่างง่ายดาย และประเมินผลงานได้เร็วขึ้น
โมดูล BLE ที่ผ่านการรับรองจำนวนมากให้บริการสำหรับผู้บริโภค และโมดูลส่วนใหญ่จะมาพร้อมกับรหัสของโอเพน ซอร์ส (open source) และแบบฝึกหัดเกี่ยวกับวิธีการตั้งโปรแกรม โมดูลส่วนใหญ่จะสื่อสารผ่านโปรโตคอลมาตรฐาน เช่น เอสพีไอ (SPI), ยูเออาร์ที (UART) และไอ2ซี (I2C)
ดังนั้นการรวมโมดูลแบบไร้สายจึงกลายเป็นเรื่องง่าย ทำให้คุณรู้สึกเหมือนว่าพวกมันเป็นส่วนหนึ่งขององค์ประกอบดิจิตอล อุปกรณ์ที่ผ่านการตรวจรับรองระบบล่วงหน้าจะช่วยลดภาระของคุณในการผ่านกระบวนการรับรองด้วยตนเอง รวมถึงค่าใช้จ่ายใน ราคาสูงหรือการเสียเวลาอีกด้วย
ลดความวุ่นวายในกระบวนการออกแบบ
ไมโครชิป เอวีอาร์-บีแอลอี (AVR-BLE) และ พีไอซี-บีแอลอี (PIC-BLE) เป็นตัวอย่างของเครื่องมือ การพัฒนาที่มีความคล่องตัวสำหรับ IoT และการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์อื่นๆ บอร์ดเหล่านี้ได้รับการกำหนดค่าล่วงหน้า เพื่อถ่ายโอนข้อมูลของมาตรวัดความเร่งและอุณหภูมิ ซึ่งได้นำเข้ามารวมเข้ากับอินเทอร์เฟซแบบกำหนดเองในแอพพลิเคชั่นชื่อ ไลท์บลู เอ็กซ์พลอเลอร์ (LightBlue® Explorer)
เครื่องมือดังกล่าวได้รับความนิยมเป็นอย่างมากในการใช้งานคู่กับอุปกรณ์ของผู้บริโภค เช่น สมาร์ทโฟน ซึ่งสามารถกำหนดค่าเพื่อ เชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ตได้ ด้วยเหตุผลดังกล่าวคุณจะสามารถยกเว้นงานออกแบบที่ไม่จำเป็นและใช้เวลาโฟกัสในส่วนที่สำคัญ: พัฒนาและนำผลิตภัณฑ์ของคุณออกสู่ตลาดได้เร็วขึ้น
เมื่อคุณมีเครื่องมือที่ใช้งานง่ายและตั้งค่าล่วงหน้าได้ เช่น AVR- และ PIC-BLE แล้ว การสร้างอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อจะทำได้ง่ายมากขึ้น ไม่ว่าคุณจะเป็นนักออกแบบสมองกลฝังตัวมืออาชีพ นักประดิษฐ์ หรือผู้ที่มีความสนใจเรื่องอิเล็กทรอนิกส์ คุณสามารถสร้างระบบ IoT ที่แข็งแกร่งและมีความหลากหลาย ด้วยความสามารถในการเข้าถึงที่มีประสิทธิภาพนี้ ประกอบกับโลกที่เชื่อมต่อกันมากขึ้น จะทำให้คุณมั่นใจได้ว่าการเชื่อมต่อนี้จะขับเคลื่อนความก้าวหน้าอย่างไม่เคยปรากฏมาก่อน