Langattomat likiverkkotekniikat kotitalouksissa
Siltala, Juuso (2021)
Kandidaatintyö
Siltala, Juuso
2021
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021101450955
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021101450955
Tiivistelmä
Tässä kandidaatintyössä tutustuttiin erilaisiin likiverkkotekniikoihin, joita voidaan käyttää
kotitalouksissa langattomaan tiedonsiirtoon laitteiden välillä Wireless Local Area Network
(WLAN) eli langattoman lähiverkon rinnalla. Työn tavoitteena oli vertailla tekniikoita keskenään niiden Open Systems Interconnection Reference Model (OSI)-mallin fyysisen ja Medium Access Control (MAC)-tason ominaisuuksien sekä tekniikoiden hintojen suhteen, ja selvittää mikä näistä sopisi parhaiten RS-485 sarjaliikenneväylän korvaajaksi.
Työ toteutettiin kirjallisuuskatsauksena ja tutkittavien tekniikoiden lisäksi syvennyttiin
myös tekniikoita koskeviin standardeihin, likiverkkojen erilaisiin topologioihin, signaalin
vaimenemiseen, sarjakommunikointiin ja interferenssiin Industrial, Scientific, Medicine
(ISM)-taajuusalueilla.
Työssä huomattiin, että 868 MHz taajuusaluetta käyttävät tekniikat vaimenevat vähemmän väliaineessa, ja ne häiriintyvät vähemmän kotitalouksista usein jo löytyvistä WLAN-reitittimistä, jotka toimivat 2,4 GHz taajuusalueella. Korkeammalla 2,4 GHz taajuusalueella kuitenkin saavutetaan paljon suurempi tiedonsiirtonopeus.
Tiedonsiirtonopeudelta nopeimpia tekniikoita olivat Bluetooth Basic Rate, ja Bluetooth Enhanced Data Rate, ja hitaimpia olivat 868 MHz taajuusaluetta käyttävä Zigbee sekä Lora. Mesh-topologian huomattiin olevan toimintavarmin, koska sitä käytettäessä verkko pystyy parantamaan itseään, jos jokin laite tippuu verkosta. Lisäksi sen avulla tietoa voidaan reitittää esteiden ympäri.
Tekniikoiden käyttöönoton kustannuksia selvitettiin jakamalla niitä ylläpitävien järjestöjen pienin mahdollinen jäsenmaksu ja vaadittavan sertifiointiprosessin hinta 1000 laitteen erälle. Kalleimmaksi tekniikaksi osoittautui Z-Wave, ja edullisimmaksi EnOcean, mutta tulokset eivät ole täysin vertailukelpoisia, koska kaikkien tekniikoiden sertifiointiprosessin hintoja ei saatu selvitettyä.
Työn tuloksena todettiin, että mikä vain tekniikka käy RS-485 väylän korvaajaksi, jos tiedonsiirtotarve on tarpeeksi pieni. Langattomilla likiverkkotekniikoilla ei kuitenkaan päästä yhtä nopeaan tiedonsiirtonopeuteen, kuin langallisella RS-485:llä. In this bachelor's thesis, various personal area network technologies that can be used in households for wireless data transmission between devices alongside Wireless Local Area Network (WLAN) were introduced. The aim of the work was to compare the technologies with respect to the physical and Medium Access Control (MAC)-level features of the Open Systems Interconnection Reference Model (OSI)-model and the prices of the technologies, and to find out which of these would be the most suitable as a replacement for the RS-485 serial communication bus.
The work was carried out as a literature review and in addition to the technologies under study, we also delved into standards of these technologies, different topologies of personal area networks, signal attenuation, serial communication and interference in the Industrial, Scientific, Medicine (ISM)-frequency bands.
The work found that technologies using the 868 MHz band are less attenuated in the medium and interfere less with WLAN-routers, which are often already found in households and use 2,4 GHz band. However, in the higher 2,4 GHz frequency range, a much higher data rate is achieved.
In terms of data transfer speeds, the fastest technologies were Bluetooth Basic Rate, and Bluetooth Enhanced Data Rate, and the slowest were Zigbee using the 868 MHz frequency band, as well as Lora. The mesh-topology was found to be the most reliable because when used, the network is able to heal itself if a device drops out of the network. In addition, it allows information to be routed around obstacles.
The costs of implementing these technologies were determined by dividing the minimum possible membership fee of the organizations maintaining them and the cost of the required certification process for a batch of 1000 devices. Z-Wave proved to be the most expensive technology, and EnOcean the cheapest, but the results are not fully comparable because the prices of the certification process could not be determined with all technologies.
As a result of the work, it was found that any technology can replace the RS-485 bus if the need for data transfer is small enough. However, wireless PAN-technologies do not achieve the same fast data transfer rate as wired RS-485.
kotitalouksissa langattomaan tiedonsiirtoon laitteiden välillä Wireless Local Area Network
(WLAN) eli langattoman lähiverkon rinnalla. Työn tavoitteena oli vertailla tekniikoita keskenään niiden Open Systems Interconnection Reference Model (OSI)-mallin fyysisen ja Medium Access Control (MAC)-tason ominaisuuksien sekä tekniikoiden hintojen suhteen, ja selvittää mikä näistä sopisi parhaiten RS-485 sarjaliikenneväylän korvaajaksi.
Työ toteutettiin kirjallisuuskatsauksena ja tutkittavien tekniikoiden lisäksi syvennyttiin
myös tekniikoita koskeviin standardeihin, likiverkkojen erilaisiin topologioihin, signaalin
vaimenemiseen, sarjakommunikointiin ja interferenssiin Industrial, Scientific, Medicine
(ISM)-taajuusalueilla.
Työssä huomattiin, että 868 MHz taajuusaluetta käyttävät tekniikat vaimenevat vähemmän väliaineessa, ja ne häiriintyvät vähemmän kotitalouksista usein jo löytyvistä WLAN-reitittimistä, jotka toimivat 2,4 GHz taajuusalueella. Korkeammalla 2,4 GHz taajuusalueella kuitenkin saavutetaan paljon suurempi tiedonsiirtonopeus.
Tiedonsiirtonopeudelta nopeimpia tekniikoita olivat Bluetooth Basic Rate, ja Bluetooth Enhanced Data Rate, ja hitaimpia olivat 868 MHz taajuusaluetta käyttävä Zigbee sekä Lora. Mesh-topologian huomattiin olevan toimintavarmin, koska sitä käytettäessä verkko pystyy parantamaan itseään, jos jokin laite tippuu verkosta. Lisäksi sen avulla tietoa voidaan reitittää esteiden ympäri.
Tekniikoiden käyttöönoton kustannuksia selvitettiin jakamalla niitä ylläpitävien järjestöjen pienin mahdollinen jäsenmaksu ja vaadittavan sertifiointiprosessin hinta 1000 laitteen erälle. Kalleimmaksi tekniikaksi osoittautui Z-Wave, ja edullisimmaksi EnOcean, mutta tulokset eivät ole täysin vertailukelpoisia, koska kaikkien tekniikoiden sertifiointiprosessin hintoja ei saatu selvitettyä.
Työn tuloksena todettiin, että mikä vain tekniikka käy RS-485 väylän korvaajaksi, jos tiedonsiirtotarve on tarpeeksi pieni. Langattomilla likiverkkotekniikoilla ei kuitenkaan päästä yhtä nopeaan tiedonsiirtonopeuteen, kuin langallisella RS-485:llä.
The work was carried out as a literature review and in addition to the technologies under study, we also delved into standards of these technologies, different topologies of personal area networks, signal attenuation, serial communication and interference in the Industrial, Scientific, Medicine (ISM)-frequency bands.
The work found that technologies using the 868 MHz band are less attenuated in the medium and interfere less with WLAN-routers, which are often already found in households and use 2,4 GHz band. However, in the higher 2,4 GHz frequency range, a much higher data rate is achieved.
In terms of data transfer speeds, the fastest technologies were Bluetooth Basic Rate, and Bluetooth Enhanced Data Rate, and the slowest were Zigbee using the 868 MHz frequency band, as well as Lora. The mesh-topology was found to be the most reliable because when used, the network is able to heal itself if a device drops out of the network. In addition, it allows information to be routed around obstacles.
The costs of implementing these technologies were determined by dividing the minimum possible membership fee of the organizations maintaining them and the cost of the required certification process for a batch of 1000 devices. Z-Wave proved to be the most expensive technology, and EnOcean the cheapest, but the results are not fully comparable because the prices of the certification process could not be determined with all technologies.
As a result of the work, it was found that any technology can replace the RS-485 bus if the need for data transfer is small enough. However, wireless PAN-technologies do not achieve the same fast data transfer rate as wired RS-485.