Távoli ipari mobilhálózati végpontok kialakítása a dolgok internetéhez (IoT)
Mivel a dolgok internetéhez (IoT) kapcsolódó készülékek száma egyre nő, a hozzájuk tartozó hálózatok elérhetőségének is bővülnie kell, hogy tartani tudja a lépést. Az ipari létesítményeken belül vagy azok közelében általában elérhető vezetékes hálózatként a WIFI, a Bluetooth, illetve a ZigBee. Egyes ipari IoT- (IIoT-) hálózatok azonban olyan rendszerek távfigyelését, távfelügyeletét is igénylik, amelyek a felügyeleti helytől kilométerekre vannak, vagy nagy területen elszórva helyezkednek el.
Ez a cikk ismerteti, miért van szükség bizonyos, kilométerekre lévő IIoT-berendezések esetében az adatok mobilhálózaton át történő távfigyelésére és távfelügyeletére, valamint ismerteti a távoli IIoT-csomópontok előnyeit, amelyek energiát takarítanak meg – mivel vagy egyáltalán nem igényelnek karbantartást, vagy csak minimálisat. A cikk bemutatja a Nordic Semiconductor mikrovezérlőjét is, amely LTE hálózaton át továbbítja az adatokat a Phoenix Contact DIN-sínre szerelt mobilhálózati útválasztójára.
Bővített IIoT-hálózat
A hagyományos IIoT-hálózatok egy helyen vannak kiépítve, például egy gyáregység területén, egy automatizált raktárban vagy egy szabadtéri parkolóban. A hálózat a csomóponthoz lehet ipari Ethernet-kábelekkel, huzalos módon kialakítva, vagy vezeték nélkül, például WIFI vagy ZigBee útján. Ez könnyen felügyelhető egy központi helyről, ahonnan bármikor azonnal hozzá lehet férni az IIoT-hálózat végpontjaihoz, ami hatékony karbantartást és cserét tesz lehetővé.
Ahogy az ipari dolgok internete (IIoT) bővült, úgy bővült vele a használati esetek köre is. A nagyobb hatékonyság és a hálózatok azonnali felügyelete érdekében a létesítmények vezetőinek tevékenyen figyelniük kell, és felügyelet alatt kell tartaniuk a távoli rendszereket, hogy csak minimális késés legyen a távoli rendszer és a vállalat központjában lévő csomópontok között. A szállítórendszerek, például vonatok, metrók és a több államon áthaladó kamionok hasznot húzhatnak abból, ha a robbanó- vagy villanymotoron elhelyezett, valamint a fogyasztást, a sebességet, a távolságot és a GPS-helyzetet figyelő számos érzékelő jelét használják a szállítmány helyzetének és a célba érkezés becsült idejének meghatározására. Ezeket az adatokat a rendszerek elküldik a cég fő létesítményébe vagy központjába, ahol elemzésnek vetik alá őket. Az adatok szinte azonnal felhasználhatók idő és pénz megtakarítására azzal, hogy az elemzés eredményei alapján növelik a hatékonyságot, és megelőzik a hibákat, amelyek révén csökkennek a költségek, és nő a megbízhatóság.
Az olaj- és gázvezetékek azzal húznak hasznot az IIoT-hálózatokból, hogy figyelik a vezetékben a szállított mennyiséget és a nyomást, valamint a környezeti adatokat, például a hőmérsékletet, a légnyomásadatokat és a páratartalmat. A pontos GPS-helyzetadatok rezgésérzékelőkkel és pörgettyűs érzékelőkkel kiegészített figyelésével észlelhetők a csővezeték külső erők – például szeizmikus események – hatására történő mozgásai.
Bizonyos esetekben távolról korlátozni lehet a csővezetékben az átáramló mennyiséget, illetve vészhelyzet, például földrengés észlelése esetén el is lehet zárni a csővezetéket. A berendezés képes önellenőrzést végezni, és az eredményeket elküldeni a gyárba elemzés céljából. Mivel ezek a csővezetékek akár több ezer kilométerre is lehetnek a cég központjától, olyan zord környezetben, mint az északi sarkkör vidéke, fontos, hogy a végponton tökéletesen megbízható kommunikációs hálózat legyen.
A mobilhálózatot használó IoT bevezetése
Ezen igények kielégítéséhez az IIoT-hálózatokat kibővítették úgy, hogy a meglévő LTE-mobilhálózatokon át küldjenek adatokat. Ez lehetőséget ad arra, hogy egy IIoT-végpontot a világon szinte bárhol elhelyezzünk, ahol van LTE-kapcsolat, mindaddig, amíg van ott fenntartható áramforrás, azzal a további előnnyel, hogy a mobilhálózatok karbantartása a mobilhálózatok üzemeltetőinek felelősségi körébe tartozik. Mivel ezek a rendszerek távoli, nem figyelt, nehezen elérhető helyeken is kiépíthetők, a távoli mobilhálózati IIoT-végpontnak megbízhatónak, valamint feltörés és az illetéktelen fizikai módosítás ellen védettnek kell lennie.
A ipari dolgok internete (IIoT) esetében a megbízható beágyazott rendszer irányába tett első lépés a rendszer egyszerűségének megtartása minimális fogyasztás mellett. Ha a rendszer egyszerű marad, csökken a hibalehetőségek száma. A fogyasztás csökkentése javítja a megbízhatóságot azzal, hogy kisebb lesz a hőtermelés, ami növeli a félvezető eszközök élettartamát, valamint – akkumulátorról táplált IIoT-végpontok esetén – hosszabb lesz az akkumulátorok üzemideje.
1. ábra A Nordic Semiconductor nRF9160 jelű, LTE-mobilhálózathoz tervezett, az Arm Cortex-M33 magra épülő mikrovezérlője el van látva a mobilhálózati IoT-végpont kiépítéséhez szükséges valamennyi perifériával, beleértve egy LTE-modemet és egy GPS-modult is (A kép forrása: Nordic Semiconductor)
Ezen követelmények teljesítése érdekében a Nordic Semiconductor bemutatta az nRF9160 jelű, LTE-mobilhálózathoz tervezett IoT-mikrovezérlőt. Az nRF9160 egyszerűsíti a mobilhálózati IIoT-végpontok fejlesztését, mert tartalmaz egy lapkán elhelyezett teljes LTE-modemet, amely kompatibilis a legújabb mobilhálózati IoT-re és gépközi (M2M) adatkommunikációra vonatkozó szabványokkal (1. ábra).
A Nordic Semiconductor nRF9160 egy 64 MHz-es Arm Cortex-M33 processzormagra épül, amely kifejezetten a kis fogyasztású IoT-készülékekhez készült. A Cortex-M33 támogatja az egy ciklusban végzett szorzást, és összegyűjti a (MAC) műveleteket, és egyszeres pontosságú lebegőpontos (FPU) utasításkészletet, hardveres elosztást és több adaton ugyanazon utasítást futtató feldolgozású (SIMD) műveleteket használ. Ez az érzékelőadatok gyors feldolgozásához hasznos, amire az érzékelők fúziós számításainál van szükség. A Cortex-M33 nagymértékben determinisztikus még a kis fogyasztású üzemmódokba való belépéskor, és azokból való kilépéskor is, továbbá támogatja a valós idejű működést.
Az nRF9160 mikrovezérlő tartalmaz 1 MB lapkán elhelyezett flash memóriát a készülékek belső vezérlőprogramja (firmware) számára, és 256 kB kis szivárgású RAM-mal van ellátva. Van egy Arm TrustZone alrendszere a titkosítási műveletekhez, beleértve az AES titkosítást is, egy tényleges véletlenszám-generátora (TRNG) és biztonságos jelszókezelése. Ez a titkosított adatkommunikáció ellenőrzéséhez és a belső vezérlőprogram illetéktelen módosításának észleléséhez hasznos. A lapkán elhelyezett szabványos illesztőfelületek: SPI-, I2C- és UART-portok a külső érzékelők és működtetőegységek illesztéséhez és egy nyolccsatornás, natív 12 bites (túl-mintavételezéssel 14 bites) analóg-digitális (AD) átalakító, amely az analóg érzékelők jeleinek értelmezéséhez hasznos.
Az nRF9160 tartalmaz még egy lapkán elhelyezett GPS-vevőt is, amely a kis fogyasztású IoT-végpontokhoz van optimalizálva. Ez különösen olyan mozgó végpontok esetében hasznos, mint a kamionok és vonatok. Ezenkívül olyan rendszerek esetében is hasznos, amelyek nem akaratlagosan változtatnak helyet szeizmikus tevékenység következtében, illetve a szándékos elmozdulás észlelésére, ha a végpont mozgatható eszközre, például valamilyen robotkészülékre van szerelve. A GPS-vevő közösen használja a lapkán elhelyezett rádiófrekvenciás (RF) adó-vevőt az LTE-modemmel. Ha az LTE-modem és a GPS-vevő is működik, a megosztott rádiófrekvenciás adó-vevő időben multiplexelve szolgálja ki a GPS-modult és az LTE-modemet is úgy, hogy az LTE-modem élvez elsőbbséget.
Az nRF9160 mikrovezérlőben lévő LTE-modem egy saját elkülönített gyors flash és RAM memóriával ellátott gazda vezérlőprocesszorból, egy alapsávon működő processzorból, egy 50 Ω ellenállású külső antennalábra kötött rádiófrekvenciás adó-vevőből és egy SIM-kártya-illesztőből áll. A megbízhatóbb kommunikáció érdekében az LTE-modem saját hibakereső és hibaészlelő rendszerrel van ellátva. Az LTE-modem támogatja a kis fogyasztású M2M- és IoT-adatkommunikációs protokollokat, amilyen a Cat-M1, Cat-NB1 és a Cat-NB2.
Az LTE-hálózaton át végzett adatcseréhez az LTE-modemnek szüksége van egy a vezeték nélküli hálózatra kapcsolódó, valamint a telefonszámot és az előfizetői adatokat tartalmazó szabványos SIM-kártyára. Az nRF9160 LTE-gazdaprocesszora külső egyetemes integrált áramköri kártyás (UICC) illesztőfelülettel (más néven SIM-kártya-illesztővel) van ellátva, hogy kapcsolódni tudjon minden olyan aktivált SIM-kártyához, amely kompatibilis az LTE-M vagy a Narrowband IoT (NB-IoT, keskenysávú IoT) adatátviteli szabvánnyal.
Mindegyik nRF9160 LTE-végponthoz vásárolni kell egy SIM-kártyát valamelyik mobiltelefon-szolgáltatótól, megfelelő adatcsomaggal. A hálózatra kapcsolódó IoT-eszközökhöz való SIM-kártya és a mobilhálózati adatcsomag kényelmesen beszerezhető a Digi-Key cégtől. Adatcsomagok havi 300 kB-tól 5 GB-ig kaphatók.
Az nRF9160 3,0–5,5 V tápfeszültségről működtethető, így kiválóan alkalmas 3,7 V-os lítiumionos akkumulátorról táplált IIoT-végpontokkal való használatra. Ajánlott a 3,7 V-ról való működtetés, mert az eszköz legtöbb műszaki jellemzője 3,7 V-os tápfeszültségre van megadva. Az nRF9160 processzormoduljainak és perifériáinak legtöbb tápfeszültség-tartománya állítható, és a tápfeszültségük a belső vezérlőprogram (firmware) útján be- és kikapcsolható. Ez lehetővé teszi a fejlesztők számára az áramfelvétel finombeállítását, hogy az megfeleljen az adott felhasználási móddal szemben támasztott követelményeknek.
Az nRF9160 mikrovezérlőnek van energiatakarékos (PSM) üzemmódja is, amikor a processzormag tétlenségre áll át (a programmag regiszterének állapotát megőrzi a rendszer), az LTE-modem és a perifériák többsége pedig kikapcsol. Az olyan IIoT-végpontok esetében, ahol nyilván kell tartani az időt, a valósidejű óra (RTC) energiatakarékos (PSM) üzemmódban fut, de az nRF9160 ekkor mindössze 2,35 µA áramot vesz fel, ami lenyűgözően kevés egy akkumulátorról táplált eszköz esetében.
A GPS-modul folyamatos nyomkövetés esetén tekintélyes 47 mA-t vesz fel. Érdemes azonban a GPS-t is energiatakarékos üzemmódban használni, mert ekkor az áramfelvétele 12 mA-re csökken. Ez általában elegendő a folyamatos valós idejű helyzetfigyelést igénylő vonatok és kamionok esetében. A GPS beállítható még ennél is gazdaságosabb üzemmódra is, amikor két percenként történik egy helyzetellenőrzés; ez az üzemmód mindössze 1,3 mA-t fogyaszt. Ez tökéletesen elegendő az olyan rögzített csomópontokhoz, amelyeknél csak az esetenkénti elmozdulást kell érzékelni.
Az LTE-M protokollok bármelyikével kommunikálva az nRF9160 mikrovezérlő 375 kb/s adatátviteli sebességre képes. A kisebb adatátviteli sebességű NB-IoT protokoll esetében ez az érték 60 kb/s. Ezek a kis adatátviteli sebességek energiatakarékosak, miközben fennmarad a megbízható kommunikáció a végpont és a csomópont között. Az LTE-modem támogatja a TLS (adatátviteli rétegbeli biztonság) protokollt, ami biztonságos, titkosított kommunikációt tesz lehetővé, és segít megakadályozni a közbeékelődéses támadásokat, valamint az átvitt adatok jogosulatlan elfogását.
Az nRF9160 –40 °C és +85 °C között használható, így rendkívül hideg és nagyon meleg környezetben is megfelelő.
Az LTE-rádió maximum 23 decibeles (dBm) referenciajelet ad az antennára 1 mW kimeneti teljesítménnyel. Az eszköz kompatibilis az IPv4 és a legújabb IPv6 protokollal is, így könnyen bővíthető új IP-címekkel, nem számítanak az IPv4 korlátai. Az LTE-modem támogatja az SMS-küldést és -fogadást is. Ennek köszönhetően az IIoT-végpont ugyanúgy tud SMS-t küldeni és fogadni, mint egy mobiltelefon, annyi kivétellel, hogy a „Szia!” helyett az SMS-ben az érzékelők adatait lehet fogadni, illetve működtetési parancsokat lehet küldeni.
2. ábra A Nordic Semiconductor cég nRF6943 Thingy:91 kártyája egy teljeskörűen használható mobilhálózati fejlesztőkészlet számos érzékelővel és külső eszközök csatlakoztatására szolgáló érintkezővel. Ezenkívül van rajta SIM-kártyahely is az előfizetői SIM-kártya számára (A kép forrása: Nordic Semiconductor)
LTE-végpont fejlesztése
Az nRF9160 felhasználásával végzett fejlesztések támogatása céljából a Nordic Semiconductor elkészítette az nRF6943 Nordic Thingy:91 mobilhálózati fejlesztői kártyát (2. ábra). A kártya kényelmesen, készletként csomagolva, egy világos narancssárga dobozban érkezik, és gyakorlatilag a kicsomagolás után azonnal használható áramkörök gyors kialakítására.
Az nRF6943 fejlesztőkészletnek része egy 1400 mAh kapacitású lítium-polimer akkumulátor is, amely a kártyán lévő USB-porton át tölthető. Az USB-port segítségével az nRF6943 számítógéphez is csatlakoztatható a belső vezérlőprogram (firmware) fejlesztése, programozás vagy hibakeresés céljából.
Az nRF6943 Thingy:91 fejlesztőkészlet számos kártyára szerelt érzékelőt tartalmaz, köztük kis fogyasztású gyorsulásmérőt, nagy gyorsulások mérésére alkalmas gyorsulásmérőt, fény- és színérzékelőt és áramerősség-mérő csatlakozót is. Egy környezetfigyelő érzékelő érzékeli a hőmérsékletet, a páratartalmat, a levegő minőségét és a légnyomást. További külső érzékelők csatlakoztatására különálló csatlakozóérintkezők állnak rendelkezésre. Ezeken kívül az nRF9160 meghajt négy teljesítmény-MOSFET-et is, amelyek alkalmasak kis egyenáramú motorok vagy nagyáramú LED-ek meghajtására. Egy mágneses berregő és három RGB LED hang- és vizuális visszajelzésre is lehetőséget teremt a fejlesztés során. Található a kártyán még két nyomógomb is, amelyek az adott készülék belső vezérlőprogramján át programozhatók.
3. ábra A Phoenix Contact 1010464 mobilhálózati útválasztó egy ipari 4G LTE útválasztó, amelybe be van építve a tűzfal és a virtuális magánhálózat (VPN) támogatása (A kép forrása: Phoenix Contact)
Kapcsolódás a cég központjában lévő csomópontra
Az IIoT nRF9160-végpontok a világ bármely olyan pontján elhelyezhetők, ahol van LTE-kapcsolat. Az IIoT mobilhálózati végpont a vezeték nélküli szolgáltató hálózatán keresztül tud adatokat továbbítani a cég központjában lévő csomóponton át egy mobilhálózati útválasztóra, amilyen például a Phoenix Contact 1010464 4G LTE útválasztó (3. ábra).
Ezt a Phoenix Contact 1010464 4G LTE útválasztót zord ipari környezetben való használatra tervezték, és az AT&T U.S.A. mobilhálózatára kapcsolódik. A hátoldalán van egy SIM-kártyahely az előfizetői SIM-kártya számára. Az útválasztó a DIN-sínrendszerbe való kényelmes, minimális hardverbeállítást igénylő beépíthetőség érdekében DIN-sínre van szerelve. Az útválasztót úgy kell elhelyezni, hogy lehetővé tegye a mobilhálózati jel tiszta vételét. Az IIoT-végpont belső vezérlőprogramját (firmware) és ezt a mobilhálózati útválasztót az összes SIM-kártya telefonszámára be kell állítani, hogy a készülékek biztonságosan és hatékonyan tudjanak kommunikálni. Az LTE-útválasztóban van tűzfal is a nagyobb biztonság kedvéért, és könnyen ki tudja szűrni a jogosulatlan telefonszámokról történő jogosulatlan LTE-hozzáférési kísérleteket, valamint a jogosult telefonszámokról érkező gyanús adatcsomagokat. A virtuális magánhálózati (VPN) támogatás biztonságosabb adatkommunikációt tesz lehetővé. Az LTE mobilhálózati útválasztó Ethernet útján kommunikál a helyi hálózattal, és az előlapján egy négyportos kapcsoló (switch) található.
A kis fogyasztású IIoT-végpont és az LTE mobilhálózati útválasztó egyesítése lehetővé teszi az egyszerű kommunikációt a cég központjában lévő csomópont és az ipari végpont között úgy, hogy a kommunikáció sebességét csak a mobilhálózat rendelkezésre álló sávszélessége korlátozza.
Következtetés
Amint a cikkben bemutattam, az IIoT-hálózatok egyszerűen bővíthetők a világ bármely részén lévő újabb végpontokkal. Ha egy kis fogyasztású mikrovezérlőt egy beépített LTE mobilhálózati modemmel együtt használunk, időt és tervezési költséget takaríthatunk meg. A helyes beállítás után a készülék napi 24 órában továbbítja az adatokat a cég központjában lévő csomópontban található mobilhálózati útválasztóra.
Szerző: Rich Miron – Digi-Key Electronics
Digi-Key Electronics
Angol nyelvű kapcsolat
Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +48 696 307 330
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
még több Digi-Key Electronics
