شناخت فناوری NB-IoT و معرفی چند ماژول سیم کارت IoT

اینترنت اشیا به عنوان یک فناوری که روی فناوری قبلی خود یعنی اینترنت پیاده سازی است. گزینه‌ای بسیار پراهمیت در دنیای امروز است. اینترنت اشیا به انگلیسی IoT فناوری برای تعامل بین دستگاه‌های الکترونیکی و جمع آوری اطلاعات از سنسورهای مختلف است. اینترنت اشیا بسیار گسترده است و برای پیاده سازی آن نیازمند ریزفناوری‌های خاصی هستیم. فناوری‌هایی که روز به روز بر آنها افزوده می‌شود. این ریز فناوری‌ها در زمینه انتقال داده‌ها و ذخیره سازی آن‌ها و پردازش اولیه و دیگر بخش‌ها کاربردی هستند. در این پست راجع به یک روش انتقال داده‌ها به اسم NB-IoT صحبت می‌کنیم.  در ادامه این مطلب با بلاگ دانشجو کیت همراه باشید. همچنین اگر این مطلب برای شما ارزشمند بود و به اطلاعاتتان اضافه کرد، آنرا با دیگران به اشتراک بگذارید تا دانش فنی مدیرها و کاربران فارسی زبان در این حوزه و IoT رشد پیدا کند.

شناخت فناوری NB-IoT

NB-IoT (Narrowband Internet of Things) یک استاندارد ارتباطات سلولی برای اینترنت اشیاء (IoT) است. این استاندارد به صورت خاص برای اتصال دستگاه‌های کوچک و با توان مصرف پایین به شبکه‌های سلولی طراحی شده است. با استفاده از NB-IoT، امکان ارسال اطلاعات کوچک و پراهمیت از دستگاه‌های IoT در مناطقی با پوشش ضعیف شبکه فراهم می‌شود. یکی از ویژگی‌های مهم NB-IoT، کاهش مصرف انرژی است. این استاندارد به دستگاه‌های IoT امکان می‌دهد تا انرژی باتری را به طور کامل بهره‌برداری کنند و عمر باتری را بطور قابل توجهی افزایش دهند. این ویژگی به طور خاص در کاربردهایی مانند سنسورها و دستگاه‌های کوچک با عمر باتری طولانی مورد استفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر این، NB-IoT دارای قابلیت نفوذ زیادی است که به دستگاه‌ها امکان می‌دهد در محیط‌های با سد تداخل زیاد و پوشش سیگنال ضعیف عمل کنند. با استفاده از مودم‌های NB-IoT، دستگاه‌ها می‌توانند به شبکه‌های ارتباطی تجاری متصل شوند و از زیرساخت‌های موجود برای ارسال داده‌ها استفاده کنند. NB-IoT قابلیت اتصال همزمان به تعداد بسیاری از دستگاه‌ها را فراهم می‌کند. این امکان باعث می‌شود تا شبکه‌های NB-IoT بتوانند به صورت همزمان اندازه‌گیری‌های بسیار زیادی را از دستگاه‌های مختلف انجام داده و داده‌های آن‌ها را به سرورها یا سیستم‌های دیگر ارسال کنند. با توجه به تمامی این ویژگی‌ها، NB-IoT برای کاربردهای گسترده‌ای مانند شهر هوشمند، کشاورزی هوشمند، مدیریت انرژی، مانیتورینگ صنعتی و سیستم‌های سلامتی مناسب است. استفاده از NB-IoT به سازمان‌ها و شرکت‌ها کمک می‌کند تا داده‌های حساس و مهم از دستگاه‌های IoT را با کارایی بالا و هزینه کمتر به صورت امن ارسال کنند.

معرفی چند سناریو کاربردی با فناوری NB-IoT

NB-IoT در بسیاری از سناریوهای کاربردی مفید است. تعدادی از این سناریوها را در ادامه بررسی می‌کنیم.

• شهر هوشمند: NB-IoT می‌تواند در شهر هوشمند برای مدیریت هوشمند ترافیک، پارکینگ هوشمند، نورپردازی هوشمند، مدیریت پسماندها و مانیتورینگ مصرف انرژی مورد استفاده قرار بگیرد.
• کشاورزی هوشمند: با استفاده از NB-IoT، می‌توان دستگاه‌هایی مانند سنسورهای خاک و هوا، آبیاری هوشمند، مانیتورینگ دام و تعقیب دستگاه‌های کشاورزی را پیاده کرد. این کاربرد به کشاورزان کمک می‌کند تا بهبود عملکرد و بهینه‌سازی مصرف منابع طبیعی را داشته باشند.
• مدیریت انرژی: NB-IoT می‌تواند برای مدیریت هوشمند شبکه‌های برق، مانیتورینگ مصرف انرژی در ساختمان‌ها، تعقیب و مانیتورینگ شبکه‌های توزیع گاز و آب استفاده شود. این کاربرد به مدیران انرژی کمک می‌کند تا مصرف انرژی را کاهش داده و به طور کلی سیستم‌های انرژی را بهبود بخشند.
• سیستم‌های سلامتی: با استفاده از NB-IoT، می‌توان دستگاه‌هایی مانند سنسورهای پزشکی، پیگیری وضعیت بیماران، دستگاه‌های پوشیدنی و نظارت بر سلامت را پیاده کرد. این کاربرد به مراقبت‌کنندگان و سیستم‌های بهداشتی امکان می‌دهد تا بهبود در پیشگیری و مدیریت بیماری‌ها داشته باشند.
• مانیتورینگ صنعتی: NB-IoT می‌تواند در مانیتورینگ صنعتی، مانیتورینگ دستگاه‌ها و تجهیزات صنعتی، پیگیری زنجیره تأمین و بهبود عملکرد خطوط تولید مورد استفاده قرار بگیرد. این کاربرد به شرکت‌های صنعتی کمک می‌کند تا بهره‌وری و کیفیت را افزایش دهند.

این تنها چند نمونه از سناریوهای کاربردی NB-IoT هستند. با توجه به امکانات و قابلیت‌های آن، این فناوری می‌تواند در صنایع و بخش‌های مختلف بهبود و کارایی را ارتقا دهد.

روال کاری فناوری NB-IoT

فناوری  NB-IoT بر پایه شبکه‌های سلولی LTE (Long-Term Evolution) ساخته شده است. این فناوری از نسخه‌های کاهش یافته از LTE استفاده می‌کند که به دستگاه‌های IoT امکان ارتباط با شبکه‌های سلولی را می‌دهد. همانطور که توضیح دادیم، فناوری NB-IoT استفاده از شبکه‌های سلولی برای ارتباط دستگاه‌های IoT را فراهم می‌کند. برای اتصال به شبکه NB-IoT، دستگاه‌ها از ماژول‌های NB-IoT یا تراشه‌های NB-IoT استفاده می‌کنند که قادر به ارسال و دریافت داده‌ها در فرکانس‌های NB-IoT هستند. روش کار NB-IoT به این صورت است که دستگاه IoT ابتدا با شبکه NB-IoT ارتباط برقرار می‌کند. برای این منظور، دستگاه باید به یک تأییدیه (SIM card) از اپراتور شبکه مجهز شود. این تأییدیه به دستگاه اجازه می‌دهد تا به شبکه NB-IoT متصل شود و از آن استفاده کند. روش کار NB-IoT به صورت زیر است.

1. پوشش شبکه: اپراتورهای ارتباطی شبکه‌های NB-IoT را در مناطقی که پوشش دهی می‌کنند، ایجاد می‌کنند. این شبکه‌ها اغلب بر پایه شبکه‌های LTE قرار دارند و به دستگاه‌های NB-IoT امکان ارتباط با آنها را می‌دهند.
2. مودم NB-IoT: دستگاه‌های IoT برای اتصال به شبکه NB-IoT از مودم‌های NB-IoT استفاده می‌کنند. این مودم‌ها قابلیت اتصال دستگاه‌های IoT به شبکه‌های سلولی را فراهم می‌کنند و از طریق آنتن‌های خارجی به سیگنال‌های شبکه دسترسی می‌یابند.
3. اتصال به شبکه: با استفاده از مودم NB-IoT، دستگاه‌های IoT به شبکه‌های NB-IoT متصل می‌شوند. این اتصال ممکن است از طریق یک سیم کارت SIM باشد که توسط اپراتور ارائه می‌شود.
4. انتقال داده: پس از اتصال به شبکه، دستگاه‌های NB-IoT می‌توانند داده‌های خود را از طریق شبکه به سرورها یا سیستم‌های مقصد ارسال کنند. این داده‌ها می‌توانند شامل اطلاعات از سنسورها، وضعیت دستگاه یا هر نوع داده دلخواه دیگری باشد.
5. امنیت: NB-IoT از پروتکل‌های امنیتی قوی برای حفاظت از اطلاعات ارسالی استفاده می‌کند. این شامل رمزنگاری داده‌ها، احراز هویت دستگاه و امکانات امنیتی دیگر است که اطمینان حاصل می‌کند که داده‌ها به صورت محرمانه و امن منتقل می‌شوند.

با استفاده از این روش کار، NB-IoT امکان ارتباط امن و قابل اعتماد دستگاه‌های IoT را با شبکه‌های سلولی فراهم می‌کند و امکان مدیریت و کنترل داده‌ها را به سرویس‌های مربوطه می‌دهد.

معرفی چند ماژول سیم کارتی با قابلیت NB-IoT

ماژول‌های سیم کارتی با قابلیت NB-IoT توسط تولیدکنندگان مختلف ارائه می‌شوند. در زیر چند نمونه از محبوب‌ترین ماژول‌های NB-IoT را معرفی می‌کنیم.

• Quectel BC95: ماژول Quectel BC95 یکی از محبوب‌ترین ماژول‌های NB-IoT است. این ماژول قدرتمند و کم مصرف است و از باندهای مختلف NB-IoT پشتیبانی می‌کند.
• SIMCom SIM7000: ماژول SIM7000 از سری ماژول‌های NB-IoT و LTE-M شرکت SIMCom است. این ماژول دارای پشتیبانی از باندهای مختلف NB-IoT و قابلیت‌های گسترده‌ای مانند GPS و GNSS است.
• u-blox SARA-N2: ماژول u-blox SARA-N2 هم یکی از محبوب‌ترین ماژول‌های NB-IoT است. این ماژول از باندهای NB-IoT پشتیبانی می‌کند و قابلیت‌های متنوعی از جمله مکان‌یابی GPS را داراست.
• Telit NE866: ماژول Telit NE866 یک ماژول NB-IoT کوچک و با کارایی بالا است. این ماژول از باندهای مختلف NB-IoT پشتیبانی می‌کند و دارای قابلیت‌های امنیتی و مکان‌یابی است.

لطفا توجه داشته باشید که لیست ارایه شده تنها چند نمونه از ماژول‌های NB-IoT موجود است و همچنین همیشه توجه کنید که تولیدکنندگان ماژول‌ها و مدل‌های آنها ممکن است در طول زمان تغییر کنند. بنابراین، برای استفاده از ماژول NB-IoT، بهتر است با تولیدکنندگان معتبر و آخرین اطلاعات بازار هماهنگی کنید.

معرفی چند ماژول NB-IoT از شرکت Simcom

شرکت SIMCom یکی از تولیدکنندگان مطرح در زمینه ماژول‌های NB-IoT است. در زیر، چند نمونه از ماژول‌های NB-IoT ارائه شده توسط SIMCom را معرفی می‌کنیم.

• SIMCom SIM7000E: ماژول SIM7000E از سری ماژول‌های NB-IoT و LTE-M شرکت SIMCom است. این ماژول از باندهای NB-IoT و LTE-M پشتیبانی می‌کند و دارای قابلیت‌های مکان‌یابی و GNSS است.
• SIMCom SIM7020: ماژول SIM7020 هم یکی دیگر از ماژول‌های NB-IoT شرکت SIMCom است. این ماژول دارای پشتیبانی از باندهای NB-IoT است و از قابلیت‌های مکان‌یابی GNSS وجود دارد.
• SIMCom SIM7030: ماژول SIM7030 هم یک ماژول NB-IoT از SIMCom است. این ماژول دارای پشتیبانی از باندهای NB-IoT مختلف است و قابلیت‌های مکان‌یابی و GNSS را هم دارا می‌باشد.
• SIMCom SIM7600: این ماژول یک ماژول LTE Cat 4 با قابلیت پشتیبانی از NB-IoT هم است. این ماژول برای ارتباطات سریعتر و انتقال داده‌های بزرگتر بهره‌برداری می‌شود.

لطفا توجه داشته باشید که این موارد تنها چند نمونه از ماژول‌های NB-IoT شرکت SIMCom هستند و شرکت ممکن است ماژول‌های دیگری هم برای استفاده در صنایع مختلف ارائه دهد. بهتر است در صورت نیاز به ماژول NB-IoT، با شرکت SIMCom یا نمایندگان محلی آن تماس بگیرید تا آخرین اطلاعات و مدل‌های موجود را دریافت کنید.

رنج فرکانسی فناوری NB-IoT

در مورد رنج فرکانسی NB-IoT، در حالت کلی، این فناوری در سه باند فرکانسی عمده عمل می‌کند.

1. باند فرکانسی گسترده (In-Band): در این حالت، NB-IoT در باند فرکانسی موجود در شبکه‌های LTE استفاده می‌شود. این باند فرکانسی معمولا در فرکانس‌های زیر 1GHz (مانند 700MHz و 800MHz) قرار دارد. کاربردهای محبوب NB-IoT در باند فرکانسی گسترده شامل مصارف شهری و روستایی است. این باند فرکانسی برای پوشش گسترده در مناطق شهری و روستایی مناسب است و برای ارتباط دستگاه‌های IoT در بزرگراه‌ها، شهرها، کشاورزی و برنامه‌های شبکه‌های عمومی (Public Network) استفاده می‌شود.  کاربردهای باند فرکانسی گسترده شامل اندازه‌گیری هواشناسی، انتقال داده‌های محیطی، مدیریت ساختمان‌ها و شبکه‌های آب و برق، مانیتورینگ فضای باز و شبکه‌های انتقال و توزیع می‌شود.
2. باند فرکانسی گارد (Guard-Band): NB-IoT همچنین در باندهای فرکانسی "Guard-Band" استفاده می‌شود که در نواحی محافظتی بین باندهای LTE قرار دارند. این باندها عموما در فرکانس‌های بالاتری نسبت به باند فرکانسی گسترده قرار دارند. باند فرکانسی ضیق NB-IoT معمولا در نواحی محافظتی بین باندهای LTE قرار می‌گیرد و از این بابت با محدودیت‌های طیفی مواجه است. اما این باند فرکانسی به عنوان یک گزینه مناسب برای اتصال دستگاه‌های IoT در محیط‌های شهری استفاده می‌شود. کاربردهای باند فرکانسی ضیق شامل اتصالات درون شهری و کاربردهای هوشمند شهری مانند پارک‌های هوشمند، ساختمان‌های هوشمند، پارکینگ هوشمند و مدیریت ترافیک می‌شود.
3. باند فرکانسی آزاد (Stand-Alone): NB-IoT همچنین در باندهای فرکانسی مستقل و آزاد از باندهای LTE قابل استفاده است. این باندها اغلب در فرکانس‌های بالاتر مانند 2.4GHz قرار دارند. کاربردهای باند فرکانسی آزاد شامل استفاده در صنایع خانگی هوشمند، اتوماسیون ساختمان، اتوماسیون صنعتی، سیستم‌های ردیابی و مانیتورینگ، وسایل پزشکی همراه و سیستم‌های امنیتی است.  باند فرکانسی آزاد NB-IoT اغلب در فرکانس‌های بالاتر مانند 2.4GHz قرار دارد. این باند فرکانسی برای استفاده در شبکه‌های IoT بدون وابستگی به شبکه‌های LTE مناسب است.

لطفا توجه داشته باشید که رنج فرکانسی مورد استفاده برای NB-IoT ممکن است بسته به ناحیه جغرافیایی و استانداردهای مربوطه متفاوت باشد. اپراتورهای ارتباطی محلی و سازمان‌های صنعتی معمولا باندهای مختلف فرکانسی را برای استفاده از NB-IoT تعیین می‌کنند. مهم است به این نکته توجه کنید که این کاربردها تنها چند مثال از کاربردهای ممکن برای هر یک از رنج‌های فرکانسی NB-IoT هستند. با توجه به قابلیت‌ها و محدودیت‌های فنی هر باند فرکانسی و نیازهای خاص شما، ممکن است برای هر کاربرد خاص، باند فرکانسی مناسب تعیین شود.

معرفی 5 پروژه کاربردی با فناوری NB-IoT

• مدیریت پارکینگ هوشمند: با استفاده از NB-IoT، می‌توان سیستمی را برای مدیریت پارکینگ‌ها ایجاد کرد. این سیستم می‌تواند دارای حسگرهای نصب شده در هر پارکینگ باشد که اطلاعاتی مانند تعداد جاهای خالی، سطح پر بودن پارکینگ، تخلیه و پر شدن جاها را به یک پلتفرم مرکزی ارسال کند. این اطلاعات به صورت زنده مانیتور می‌شوند و کاربران می‌توانند پارکینگ خالی را به سرعت پیدا کنند.
• کشاورزی هوشمند: با استفاده از NB-IoT، می‌توان سیستم‌های کشاورزی هوشمندی را ایجاد کرد که به کشاورزان کمک می‌کند بر اساس نیاز آبیاری، مدیریت منابع آب، کنترل دما و رطوبت، و مانیتورینگ رشد گیاهان اقدام کنند. این سیستم‌ها می‌توانند به صورت خودکار دستگاه‌های آبیاری را کنترل کرده و با استفاده از حسگرها اطلاعات محیطی مورد نیاز را به کشاورز ارسال کنند.
• شبکه‌های سنسوری شهری: با استفاده از NB-IoT، می‌توان شبکه‌های سنسوری در شهرها ایجاد کرد. این سنسورها می‌توانند اطلاعاتی را در مورد کیفیت هوا، سطح آلودگی، نورپردازی شهری، مدیریت پسماندها و سایر اطلاعات محیطی جمع‌آوری و به سرورهای مرکزی ارسال کنند. این اطلاعات می‌تواند در بهبود کیفیت زندگی شهروندان، مدیریت موثر منابع و بهره‌وری شهری کمک کند.
• مانیتورینگ سیستم‌های انرژی: با استفاده از NB-IoT، می‌توان سیستم‌های مانیتورینگ و کنترل هوشمند برای سیستم‌های انرژی ایجاد کرد. به عنوان مثال، می‌توان سیستم‌های مانیتورینگ سیستم‌های برق، گاز، آب و تولید انرژی خورشیدی را به وسیله حسگرها و دستگاه‌های NB-IoT دریافت کرد و اطلاعات مربوطه را به صورت زنده مانیتور کرد و در صورت نیاز اقدامات لازم را به صورت خودکار انجام داد.
• مانیتورینگ تجهیزات وسایل نقلیه: با استفاده از NB-IoT، می‌توان سیستم‌های مانیتورینگ و ردیابی برای وسایل نقلیه ایجاد کرد. این سیستم‌ها می‌توانند موقعیت جغرافیایی، سرعت، کیلومترها، مصرف سوخت و وضعیت فنی وسایل نقلیه را مانیتور کنند و به صورت زنده این اطلاعات را به سرورهای مرکزی ارسال کنند. این سیستم‌ها برای مدیریت و ردیابی خودروها، لجستیک و حمل و نقل، ایمنی و کنترل موقعیت در مراکز توزیع می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند.

این موارد تنها چند نمونه از پروژه‌های کاربردی مبتنی بر فناوری NB-IoT است. با توجه به قابلیت‌های این فناوری، می‌توان در بسیاری از صنایع و کاربردها از آن استفاده کرد و سیستم‌های هوشمند و متصل در اینترنت اشیاء را ایجاد کرد.

تفاوت مصرف انرژی در فناوری NB-IoT با LoRa

NB-IoT و LoRa دو فناوری متفاوت برای اتصال دستگاه‌های اینترنت اشیاء (IoT) هستند و تفاوت‌های مهمی در مصرف انرژی دارند. در ادامه، تفاوت‌های اصلی در مصرف انرژی بین NB-IoT و LoRa را بررسی خواهیم کرد.

مصرف انرژی NB-IoT: فناوری NB-IoT بر پایه شبکه‌های سلولی LTE استوار است و مصرف انرژی آن معمولا بیشتر از LoRa است. به عنوان یک فناوری سلولی، NB-IoT نیاز به آنتن‌های قوی‌تر و انتقال داده‌های بزرگتر دارد که به مصرف بیشتر انرژی منجر می‌شود. همچنین، این فناوری نیاز به اتصال برق دائمی دستگاه‌ها دارد و برای مکالمه دستگاه با تورم در مصرف انرژی روبرو می‌شود.

مصرف انرژی LoRa: فناوری LoRa به عنوان یک فناوری Low Power Wide Area Network (LPWAN) طراحی شده است و برای کاهش مصرف انرژی بهینه شده است. یکی از ویژگی‌های مهم LoRa، محدوده انتقال داده بزرگ است که به معنای انتقال داده‌ها در فواصل بلند بین گیرنده و فرستنده است. این ویژگی به LoRa امکان می‌دهد با مصرف کمتری انرژی، برد بزرگتری را پوشش دهد. علاوه بر این، فناوری LoRa از معماری Sleep-Wake Cycle برای مدیریت مصرف انرژی استفاده می‌کند، به این معنی که دستگاه‌ها در دوره‌های خاموشی با قدرت بسیار پایین عمل می‌کنند و تنها در زمانی که نیاز به ارتباط دارند، بیدار می‌شوند.

با توجه به این تفاوت‌ها، می‌توان گفت که LoRa به عنوان یک فناوری LPWAN با مصرف انرژی کم‌تر و برد بیشتر مورد توجه برای برنامه‌هایی است که نیاز به ارتباط در فواصل بلند و مصرف انرژی کم دارند. از سوی دیگر، NB-IoT برای مواردی که نیاز به ارتباط بیشتر و تکنولوژی سلولی دارند، مناسب است. انتخاب بین این دو فناوری بستگی به نیازها و محدودیت‌های مربوط به هر پروژه دارد.

بررسی میزان مصرف انرژی فناوری NB-IoT

مصرف انرژی NB-IoT برای دستگاه‌های اینترنت اشیاء (IoT) به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله نوع دستگاه، حجم انتقال داده، فرکانس ارتباط و الگوی استفاده. اما در کل، NB-IoT به عنوان یک فناوری سلولی است که مصرف انرژی بیشتری نسبت به فناوری‌های مبتنی بر LPWAN مانند LoRa دارد. دستگاه‌های NB-IoT معمولا نیاز به منبع تغذیه پایدار دارند، بنابراین باتری‌ها با ظرفیت بالا معمولا برای آنها استفاده می‌شوند. میزان مصرف انرژی در حالت آماده‌باشی (Standby) برای دستگاه‌های NB-IoT بسیار کم است، ولی در هنگام برقراری ارتباط با شبکه و ارسال و دریافت داده‌ها، مصرف انرژی افزایش می‌یابد. در عمل، میزان مصرف انرژی NB-IoT متفاوت است و بستگی به شرایط استفاده و تنظیمات دستگاه دارد. به عنوان مثال، یک ماژول NB-IoT در حالت انتظار ممکن است حدود 2-3 میلی آمپر مصرف کند، اما در حالت انتقال داده‌ها ممکن است به چندین ده میلی آمپر یا بیشتر برسد. همچنین، مصرف انرژی به دلیل تنظیمات شبکه و پروتکل‌های مورد استفاده قابل تغییر است. در هر صورت، برای بهره‌برداری بهینه از NB-IoT و کاهش مصرف انرژی، معمولا بهینه‌سازی‌های مختلفی اعمال می‌شود. این شامل استفاده از حالت خواب (Sleep Mode) برای کاهش مصرف انرژی در دوره‌های خاموشی، تنظیم فرکانس ارتباط در حداقل مقدار ممکن و استفاده از تکنیک‌های مدیریت انرژی می‌شود. با در نظر گرفتن همه این عوامل، میزان مصرف انرژی NB-IoT معمولاً بیشتر از مصرف انرژی LoRa است، اما با استفاده از بهینه‌سازی‌های مناسب و مدیریت مناسب منابع، می‌توان مصرف انرژی را به حداقل رساند و عمر باتری دستگاه‌های NB-IoT را بهبود بخشید.