Uvod u IoT protokole za slanje podataka u brodskoj elektronici

Razvoj tehnologija za prijenos podataka u posljednjih nekoliko desetljeća iz temelja je promijenio način na koji pratimo i upravljamo brodovima. Od prvih GPS data loggera koji su samo bilježili lokaciju do današnjih pametnih sustava koji u stvarnom vremenu šalju podatke o motoru, vodostaju ili vremenskim uvjetima, komunikacijske tehnologije postale su srž IoT (Internet of Things) ekosustava na moru. Ovaj napredak omogućio je da brodska elektronika postane povezanija, efikasnija i prilagođena izazovima pomorskog okruženja, poput nestabilne mrežne pokrivenosti ili ograničenog trajanja baterija. Ovaj članak se nadovezuje se na naš prethodni članak o GPS nadzoru, te prikazuje kako su se komunikacijske tehnologije razvijale i prilagođavale potrebama brodova, od ranih mobilnih mreža do specijaliziranih IoT protokola.

Ako bi trebali pojasniti pojam IoT (Internet of Things), mogli bi reći da se radi o mreži fizičkih uređaja (senzora, aktuatora) koji su međusobno povezani putem raznih mrežnih tehnologija. Svaki od tih uređaja šalje i/ili prima podatke, a ti podaci se uglavnom obrađuju na nekom zajedničkom mjestu (npr. cloud) kako bi omogućili njihovu analizu. Brodovi, posebno obzirom na njihovu cijenu, postaju izvrsna platforma za primjenu mnogih IoT uređaja jer senzora na brodu – nikada dosta.

U početku su se podaci s brodova prenosili putem ograničenih i skupih sustava, poput VHF radio signala (na kojem radi današnji AIS), a koji su služili za glasovnu komunikaciju na kratkim udaljenostima ili satelitskih veza poput Inmarsata, rezerviranih za velike brodove (zbog izuzetno velikih telekomunikacijskih troškova). S pojavom mobilnih mreža početkom 2000-ih, uvođenje SIM kartica u različite male uređaje, omogućeno je slanje osnovnih podataka, poput trenutačne GPS lokacije ili brzine, putem SMS poruka ili tadašnje GPRS veze. No, takvi sustavi bili su ograničeni na male količine podataka i oslanjali su se na dostupnost signala jednog teleoperatera, što je na moru često predstavljalo problem – osobito na hrvatskoj obali i otocima gdje signal varira ovisno o lokaciji i operateru.

S razvojem širokopojasnog interneta i novih generacija mobilnih mreža (3G i 4G), postalo je moguće slati veće količine podataka, poput video zapisa s nadzornih kamera ili podataka s više senzora istovremeno. Istodobno, pojavili su se specijalizirani protokoli poput Zigbee, Bluetooth Low Energy (BLE) i Sigfox, dizajnirani za IoT uređaje koji zahtijevaju nisku potrošnju energije i različite domete – od nekoliko metara unutar broda do desetaka kilometara u obalnim područjima. Ovi protokoli omogućili su stvaranje mreža senzora koji, primjerice, prate stanje motora, detektiraju poplavu ili šalju upozorenja o neovlaštenom pristupu plovilu.

Izazovi pomorskog okruženja – poput fizičkih prepreka (brda, otoci), sezonske zasićenosti mreža tijekom ljetnih mjeseci (turisti) ili potrebe za dugotrajnim radom uređaja na baterije – potaknuli su razvoj različitih tzv. hibridnih rješenja. Danas se na brodovima često kombiniraju različite tehnologije kao što su (lokalni) protokoli poput Zigbee za povezivanje senzora unutar plovila; mobilne mreže (2G-5G) za prijenos podataka na obalu i satelitske veze tipa StarLink za veće/skuplje i prekooceanske brodove. U ovom tekstu ćemo pojasniti osnovne tehnologije – od 2G do 5G mreža, preko Zigbee i Bluetootha, do Sigfoxa i sličnih protokola – koje omogućavaju IoT sustavima da brodove učine sigurnijima, pametnijima i povezanijima.

Evolucija mobilnih mreža: 2G-5G – osnova za IoT slanje podataka

U narednim recima ćemo prikazati osnovne promjene koje su se događaje uvođenjem tehnologija za prijenos podataka putem mobilnih mreža.

2G: Početak digitalne povezanosti

Druga generacija mobilnih mreža (2G), uvedena 1990-ih, donijela je prijelaz s analognih na digitalne signale, te omogućila glasovne pozive, SMS poruke i osnovni prijenos podataka putem GPRS-a i EDGE-a (brzine do 150 kbit/s). U tadašnje vrijeme mnogi su se pitali da li ima potrebe za većim brzinama! U IoT sustavima, 2G je bila prva široko dostupna tehnologija za slanje podataka s GPS lokatora na brodovima, primjerice trenutačne lokacije ili brzine. Prednosti 2G mreža bile su široka pokrivenost, prilično niska potrošnja energije i jednostavnost. Rezultat toga je bezbroj 2G  IoT uređaja koji danas predstavljaju temeljni razlog zašto se 2G mreža još uvijek drži na životu iako je tehnološki zastarjela. Ograničena brzina prijenosa podataka sprječavali su slanje većih količina podataka, poput slika ili podataka s više senzora. Danas se 2G mreže postupno gase u mnogim zemljama (uključujući Hrvatsku), jer teleoperateri oslobađaju spektar za 5G mreže i smanjuju troškove odžavanja stare infrastrukture. To znači kako će milijuni 2G uređaja (senzora, aktuatora, vremenskih stanica, mjerača visine valova i sl.) biti neopotrebljivo. Dakle, prilikom kupovine uređaja na SIM karticu – trebamo odabrati isključivo njihove 4G/5G verzije. 

3G: Prvi korak ka širokopojasnom internetu

Treća generacija (3G), uvedena 2000-ih, donijela je značajan napredak s brzinama do 42 Mbit/s (HSPA+) i podrškom za mobilni internet, video pozive i veće količine prenesenih podataka. U IoT kontekstu 3G je omogućila složenije primjene na brodovima, poput slanja slika s nadzornih kamera ili podataka s više senzora (npr. temperature motora ili vodostaja u trupu). Tu su postale zanimljive i tzv.lovačke kamere koje mogu detektirati pokret i poslati sliku vlasniku na mobitel. Prednosti su bile veća propusnost i bolja povezanost u urbanim i obalnim područjima, no 3G uređaji troše znatno više energije, a pokrivenost na moru često je bila ograničena zbog ovisnosti o baznim stanicama. Kao i 2G, 3G mreže se trenutno gase u mnogim zemljama (npr. Švicarska 2023.), jer su 4G i 5G preuzele ulogu primarnih mreža, čineći i 3G uređaje zastarjelima. Zanimljivo, znatno veći broj 3G mreže je ugašen nego je to 2G. Na primjer Hrvatski Telekom je 3G mrežu već ugasio, dok drugi operateri planiraju gašenje uglavnom do kraja iduće godine.

4G: Pouzdan standard za IoT

Četvrta generacija (4G), temeljena na LTE standardu, postala je dominantna 2010-ih s brzinama do 1 Gbit/s i niskom latencijom (5-10 ms). Pojam latencije se jednostavno može objasniti kao vrijeme čekanja – odnosno vrijeme koje protekne od trenutka kada uređaj pošalje zahtjev za podatcima do trenutka kada ti podatci stignu do nas. U IoT sustavima, 4G omogućuje prijenos podataka u realnom vremenu, poput video nadzora s broda ili sinkronizacije podataka s više senzora (npr. gorivo, brzina, navigacija). Na Jadranu, gdje je pokrivenost 4G mrežom vrlo dobra u obalnim područjima, ova tehnologija idealna je za nadzor i upravljanje plovila. Ipak, još uvijek postoji dosta lokacija gdje je 4G mreža dostupna u vrlo ograničenom kapacitetu, a 4G uređaji moraju imati tzv. 2G fallback – mogućnost spajanja i na 2G mrežu ako 4G signala nema. Problemi zasićenosti mreža izraženi su tijekom ljeta (kada veliki broj turista opterećuje infrastrukturu), a ostaje i problem u ruralnim područjima s ograničenim signalom i manjim brojem repetitora. Korištenje multinetwork SIM kartica, o čemu smo govorili u prethodnom članku, pomaže u prevladavanju ovih problema automatskim prebacivanjem na jaču mrežu te je svakako preporuka koristiti takve SIM kartice za sve pokretne uređaje.

5G: Budućnost IoT-a na moru

Peta generacija (5G), uvedena 2019. Onda potpuno mijenja mobilne prijenose podataka te omogućava brzine do 20 Gbit/s, izrazito niskom latencijom (nekoliko milisekundi u idealnim uvjetima) i podrškom za masovnu povezanost (do milijun uređaja po km²). 5G donosi tri ključne značajke: eMBB (poboljšani mobilni širokopojasni pristup), URLLC (ultra-pouzdana komunikacija niske latencije) i mMTC (masovna komunikacija strojeva). Na brodovima, 5G omogućuje napredne primjene poput real-time video nadzora s više kamera u 4K rezolucijama ili video pozive visoke kvalitete. Ili, sada sve aktivnija primjena usluga umjetne inteligencije i velikih jezičnih modela (chatGPT, Grok i sl.) za komunikaciju glasom u realnom vremenu. Pojednostavljeno – razgovor s AI-em.

Mogli bi i reći kako niska latencija olakšava primjenu nekih tehnologija koje su već duže vrijeme na tržištu. Recimo, ubrzava mogućnost gašenja jetski-a putem mobitela u realnom vremenu, ili u budućnosti omogućavaju znatno veću količinu poslanih podataka i uzorkovanja (snimanja točne GPS lokacije) kako bi se mogla detektirati mogućnost sudara dva plovila, te naravno smanjiti snagu motora u tom slučaju ili ga ugasiti.

Slika 1. Moderni 5G router za brod

U hrvatskom kontekstu, 5G pokrivenost raste u obalnim gradovima, a u budućnosti se očekuje širenje do 50 km od obale, što je ključno za pomorske IoT sustave.

Slika 2. Promjene u tehnologijama GSM prijenosa podataka

Zigbee, BLE i slične tehnologije – lokalne mreže kratkog dometa za povezivanje senzora na brodu

Dok mobilne mreže poput (2G-5G) omogućavaju prijenos podataka s brodova na obalu, lokalni bežični protokoli poput Zigbee i Bluetooth pokazali su se kao odlični za povezivanje uređaja unutar samog plovila. Ovi protokoli su namijenjeni za kratke udaljenosti i nisku potrošnju energije, a omogućavaju stvaranje mreža senzora i uređaja koji prikupljaju podatke o stanju broda – od temperature kabine do vibracija motora – i proslijeđuju ih na centralni hub koji ih dalje šalje putem mobilnih ili satelitskih mreža korisnicima. Taj centralni uređaj (hub) vrlo često je upravo nekakav GPS lokator ili WiFi router sa SIM karticom.

Zigbee – mesh mreže za senzore na brodu

Zigbee je bežični protokol kratkog dometa (10-100 metara) koji radi na frekvenciji 2.4 GHz i temelji se na IEEE 802.15.4 standardu. Namijenjen je IoT uređajima koji šalju vrlo male količine podataka uz minimalnu potrošnju energije. To omogućava da imamo baterijske senzore koji godinama rade bez potrebe za punjenjem ili zamjene baterija. Njegova ključna značajka je mesh topologija, gdje neki uređaji mogu djelovati kao repeater, što proširujući domet mreže. Na brodu, Zigbee je odličan za povezivanje više senzora – primjerice, za praćenje rada kaljuže, temperature kod motora ili stanja napona jednog ili više akumulatora. Osim niske potrošnju energije, prednost je i visoka razina sigurnosti (AES-128 enkripcija onemogućava prisluškivanje ili upad u mrežu) te skalabilnost. Dakle, možemo dodavati nove uređaje/senzore bez realnog ograničenja u njihovom broju, a dodavanjem repeatera (što nije skupo) možemo znatno proširiti doseg mreže ako je to potrebno.

Bluetooth Low Energy (BLE) – standard povezivanja na kraće udaljenosti

Bluetooth, poznat po povezivanju uređaja poput slušalica, evoluirao je u IoT kontekstu s Bluetooth Low Energy (BLE) verzijom. BLE je optimiziran za nisku potrošnju, s brzinama do 1 Mbit/s (znatno više od Zigbee!), niskom latencijom i dometom do 100 metara. Za razliku od klasičnog Bluetooth-a, koji je pogodan za kontinuirani prijenos (npr. slušalice), BLE šalje male količine podataka povremeno, što ga čini također jako dobrim rješenjem za senzore na brodu. Na primjer, BLE senzor može pratiti temperaturu hladnjaka u kuhinji plovila, otvaranje i zatvaranje vrata (magnetni senzor) ili detektirati otvorena vrata putem senzora svjetla. Ili, ako imamo skupu opremu na brodu u koju stane mali tzv. beacon senzor, možemo ustanoviti ako netko ukrade opremu i odnese ju sa broda. Takvi senzori mogu slati podatke na pametni telefon, ili centralni hub kao što je GPS lokator ili WiFi router koji ih dalje prosljeđuje putem GSM mreže korisniku. Među često korištenim BLE senzorima na brodu upravo je mala i jeftina baterijska Teltonika naziva „eye senzor“. Takav maleni BLE senzor od 50-ak eura omogućava praćenje trešnje (senzor udarca), magnetnih vrata, svjetla, topline i vlage, tako da ih je moguće imati više na plovilu bez dodatnih troškova i problema oko provlačenja kablova ili spajanja na struju.  Na plovilima (i vozilima) BLE se često koristi za lokalne sustave gdje vlasnik želi brzo praćenje podataka bez složenih instalacija.

Slika 2: BLE Beacon senzor

Tehnologije za slanje podataka na veće udaljenosti

Sigfox i LoRaWan

Sigfox je vrlo zanimljiva tehnologija koja se koristi u mnogim brodskim senzorima, a neki su dostupni i na našem tržišti. Protokol komunikacije koristi tzv. ultra-uskopojasnu (UNB) tehnologiju na frekvenciji od 868 MHz (u Europi). Taj protokol potpuno je drugačiji od prethodno navedenih i služi za slanje slanje malih poruka (do 12 bajtova) s ograničenjem na 140 poruka dnevno po uređaju. Domet je oko 10 do 50 km, ovisno o uvjetima. U brodskoj primjeni, Sigfox je dobar za jednostavne IoT uređaje koji šalju rijetke (ali možda kritične) podatke, poput statusa kaljuže, temperature akumulatora i napona, ili senzora vatre. Prednosti Sigfoxa uključuju izuzetno nisku potrošnju energije (baterije traju 10 i više godina), a ne moramo imati vlastiti hub kao što je to u slučaju gore spomenutih tehnologija. Možemo reći i da postoji nacionalna mreža koja funkcionira u Hrvatskoj (operater IoT Adria Net), no možda nije dostupna na svim područjima. Drugim riječima, naš senzor kaljuže može raditi 10 godina, bez SIM kartice, ali uz određenu nisku cijenu mjesečnog pristupa mreži.

Tu je LoRaWan, tehnologija slična Sigfoxu, sa sličnim namjenama.

Što nas čeka u budućnosti?

Mnogi brodovi već imaju (ili moraju imati) sustave poput GPS/Galileo pozicioniranja, AIS-a koji radi u VHF pomorskom pojasu te NMEA 2000 kao okosnicu brodske podatkovne sabirnice, pa se i razvoj nastavlja na tim baznim tehnologijama. U godinama koje dolaze vjerojatno će biti dobro popratiti tehnologije kao što je to NMEA OneNet (nasljednik protokola koji pojednostavljuje interoperabilnost i prijenos veće količine i raznovrsnosti podataka), te tzv. tehnologije obrade na rubu (edge computing). Upravo EC omogućuju obradu velike količine podataka dobivenih od raznovrsnih senzora i uređaja na samom brodu, bez potreba za njihovim slanjem u neobrađenom obliku negdje prema oblaku. Takav pristup povećava pouzdanost cijelog brodskog sustava, osobito kada je pokrivenost signalom loša.