Technologie radiowe w nowoczesnych magazynach: rewolucja bez kabli

Coraz więcej zadań w takich obiektach przejmują inteligentne systemy: kontrolują temperaturę i wilgotność, monitorują lokalizację towarów, planują optymalne trasy dla wózków czy robotów. Wszystko to dzieje się dzięki sieciom bezprzewodowym, które eliminują konieczność skomplikowanego okablowania i umożliwiają błyskawiczne podłączanie nowych urządzeń.

Po co magazynom technologia radiowa?

W przestrzeniach przemysłowych trudno prowadzić klasyczne instalacje kablowe. Montaż przewodów, szaf sterowniczych czy punktów dostępu wiąże się z wysokimi kosztami i może zakłócać bieżącą pracę. Technologie bezprzewodowe są bardziej elastyczne, tańsze i umożliwiają szybką rozbudowę infrastruktury. Co ważne, dzięki energooszczędnym technologiom, takim jak BLE, LoRa czy DASH7, wiele urządzeń może pracować latami na jednej baterii. Niektóre z nich są nawet zasilane przez małe panele słoneczne czy za pomocą technologii odzysku energii (energy harvesting).

Ale to nie takie proste...

Magazyny to trudne środowisko dla fal radiowych. Metalowe regały, kontenery, betonowe ściany i urządzenia przemysłowe powodują zakłócenia i odbicia sygnału. Dlatego tak ważny jest wybór odpowiedniej technologii – dostosowanej do konkretnych warunków i potrzeb. Przedstawiamy najpopularniejsze rozwiązania stosowane w przestrzeniach magazynowych:

• WiFi

To najbardziej rozpoznawalna technologia bezprzewodowa. Sieci WiFi znajdziemy niemal wszędzie – od domów po fabryki. Umożliwiają szybki transfer danych (nawet do 2 Gbps) i są łatwe w konfiguracji. W magazynach są wykorzystywane do komunikacji komputerów, skanerów, robotów i systemów zarządzania. Przy użyciu anten kierunkowych ich zasięg może sięgać kilku kilometrów. Ich wadą jest wyższy pobór energii oraz potencjalne zakłócenia w gęsto zabudowanym środowisku.

• GSM (2G/3G/4G/5G)

Zasięg sieci komórkowych obejmuje całe kraje, a nawet oceany. Korzystają z niej zarówno telefony, jak i coraz częściej urządzenia IoT. Technologia GSM (zwłaszcza LTE i 5G) zapewnia duże możliwości transmisyjne, ale wiąże się z opłatami licencyjnymi. Dobrze sprawdza się w systemach mobilnych i do monitoringu kontenerów czy ładunków w trasie, ale trudno zaadaptować je do magazynów.

• LoRa (Long Range)

Technologia zaprojektowana z myślą o dalekim zasięgu (nawet do 10 km) i minimalnym zużyciu energii. Idealna do przesyłania niewielkich porcji danych, np. z czujników temperatury, wilgotności czy obecności. Pracuje w paśmie sub-GHz i wykorzystuje modulację Chirp Spread Spectrum, dzięki czemu doskonale radzi sobie w trudnych warunkach propagacyjnych. Jej wadą jest niska przepustowość (do 50 kbps) narzucona przez standard komunikacyjny.

• DASH7

Mniej znana, ale bardzo efektywna technologia do zastosowań RFID i WSN (Wireless Sensor Networks). Pracuje na częstotliwości 433 MHz, 868 MHz i 915 MHz, co zapewnia dobry zasięg (do 2 km) i niskie zużycie energii. DASH7 pozwala na tworzenie asynchronicznych sieci komunikacyjnych – czujniki budzą się tylko wtedy, gdy mają coś do powiedzenia. To znacznie wydłuża ich czas pracy. Prędkość transferu, jaką osiąga DASH7, wynosi 27–288 kbps. To zdecydowanie więcej, niż oferuje LoRa, mimo zastosowania tych samych częstotliwości.

• BLE (Bluetooth Low Energy)

Specjalna wersja Bluetooth zaprojektowana z myślą o minimalnym zużyciu energii. Doskonale sprawdza się do transmisji danych z czujników i tagów. Choć BLE nie nadaje się do przesyłania dużych plików, jest wystarczająco szybki (do 2 Mbps), by obsługiwać inteligentne opakowania, systemy śledzenia czy komunikację z wyświetlaczami e-ink. Dzięki topologii mesh może obsługiwać nawet dziesiątki tysięcy urządzeń. Zasięg BLE to ok. 10–100 m. Niestety, zasięg w górnej połowie jest osiągalny raczej w otwartej przestrzeni niż w przestrzeniach magazynowych.

• UWB (Ultra Wideband)

Technologia o bardzo szerokim paśmie i zaskakującej precyzji lokalizacji – nawet do 15 cm. Choć jej zasięg jest ograniczony (do ok. 100 m w terenie otwartym), idealnie nadaje się do zastosowań wewnątrzbudynkowych, np. w systemach lokalizacji personelu, wózków czy paczek. UWB pozwala budować nowoczesne systemy dostępu (np. do pojazdów czy pomieszczeń), które nie dają się oszukać prostym repeaterem, jak w przypadku klasycznego RFID.

Zużycie energii w technologiach bezprzewodowych – co warto wiedzieć w kontekście logistyki?

Wybór odpowiedniej technologii bezprzewodowej w logistyce nie ogranicza się wyłącznie do szybkości transmisji danych czy zasięgu sygnału. Równie istotnym czynnikiem – szczególnie w środowiskach, gdzie urządzenia działają na zasilaniu bateryjnym – jest zapotrzebowanie energetyczne. Nawet niewielkie różnice w poborze mocy mogą decydować o efektywności działania systemu w długim okresie.

Najmniej energochłonne technologie

Spośród analizowanych technologii – WiFi, LoRa, BLE, UWB oraz DASH7 – najmniej energochłonne podczas transmisji okazują się BLE, WiFi i UWB. Przykładowo, moduł BLE (nRF52832) pobiera zaledwie 12 mW podczas nadawania, a UWB (DW3000) – 90 mW. Dla porównania, klasyczne WiFi (ESP8266) potrzebuje aż 462 mW, co czyni je mniej atrakcyjnym w zastosowaniach mobilnych, mimo imponującej przepustowości – sięgającej ponad 53 Mb/s.

Zużycie energii a wielkość pakietu danych

Zużycie energii znacząco wzrasta wraz z wielkością przesyłanych pakietów. W przypadku BLE transmisja pakietu 32 bajtów to tylko 0,4 mW, a 8096 bajtów – już 100,6 mW. Dla porównania, ta sama operacja w technologii LoRa pochłania odpowiednio aż 44 mW i ponad 11 000 mW. To ponadstukrotna różnica, mająca kluczowe znaczenie przy projektowaniu systemów przesyłu danych w logistyce – np. w śledzeniu przesyłek czy pracy czujników w magazynach.

Podobną tendencję widać w przypadku DASH7 – technologia ta, choć energooszczędna przy krótkich pakietach (24,4 mW dla 32 bajtów), charakteryzuje się wysokim poborem energii przy większych objętościach (6173,7 mW dla 8 kB).

Tryb nasłuchu – kluczowy dla urządzeń czuwających

W wielu systemach logistycznych urządzenia przez większość czasu pozostają w trybie czuwania, oczekując na sygnał lub dane. Tu kluczowe staje się zużycie energii w stanie nasłuchu. Najlepiej wypadają BLE i DASH7 – odpowiednio 11,1 mW i 19,8 mW – co czyni je idealnymi do zastosowań takich jak sensory środowiskowe, etykiety RFID nowej generacji czy systemy monitorujące warunki przechowywania.

WiFi, choć szybkie, w trybie nasłuchu zużywa aż 184,8 mW, co znacznie obniża jego opłacalność w systemach działających w cyklach pracy 1 : 10 000 (czyli przez większość czasu pozostających w bezczynności).

Energia zużywana na transmisję pojedynczego pakietu

Analizując zużycie energii przypadające na jeden pakiet danych, BLE ponownie wypada najefektywniej – np. pakiet 1024 bajtów wymaga tylko 11,7 mW energii. UWB plasuje się tuż za nim (23,8 mW). Tymczasem LoRa, choć powszechnie stosowana w logistyce ze względu na zasięg, pochłania aż 697,8 mW na taki sam pakiet, a DASH7 – 433,8 mW.

Z kolei WiFi, przy tej samej wielkości pakietu, zużywa 3,6 mW – co może wydawać się atrakcyjne, jednak pod warunkiem, że urządzenie nie przebywa zbyt długo w stanie czuwania. Dlatego w zastosowaniach takich jak kamery monitoringu lub urządzenia stale przesyłające dane, WiFi może być dobrym wyborem, ale w przypadku czujników – niekoniecznie.

Wnioski dla logistyki

Z punktu widzenia logistyki, gdzie często mamy do czynienia z tysiącami urządzeń działających na baterie, BLE i DASH7 oferują najbardziej zrównoważony kompromis między zużyciem energii a wydajnością. BLE dominuje tam, gdzie liczą się energooszczędność i krótki zasięg (np. w tagach BLE w centrach dystrybucyjnych), a DASH7 – w systemach o większym zasięgu, ale wciąż niskim zapotrzebowaniu na energię.
Technologie takie jak LoRa i UWB znajdują zastosowanie w bardziej specjalistycznych przypadkach: LoRa – tam, gdzie wymagany jest bardzo duży zasięg, a UWB – tam, gdzie niezbędna jest wysoka precyzja lokalizacji (np. lokalizacja palet z dokładnością do centymetrów).
WiFi, mimo swoich zalet w zakresie szybkości transmisji, jest bardziej odpowiednie dla systemów zasilanych przewodowo lub działających ciągle – np. terminali skanowania w punktach przeładunkowych.