Digi XBee megoldások összetett IoT rendszerekhez

„A dolgok internete” (IoT) egy rendkívül népszerű kifejezés manapság, bár tévesen elsősorban olyan eszközökkel társítják, mint például a Smart Home és olyan technológiákkal, mint például a Bluetooth vagy a Wi-Fi. Mindeközben a Digi International márka már 20 éve piacra dobta az energiatakarékos RF-modulokat a vezeték nélküli kommunikációhoz. A 2,4 GHz-es sávban működnek, mesh hálózatokon keresztül továbbítanak adatokat, és különféle vevőegységeket vezérelhetnek. Ennek a szabványnak a neve a Digi XBee, és néhány igazán fejlett lehetőséget kínál.

A Digi XBee 3 termékei kész alapot jelentenek az összetett IoT-rendszerek felépítéséhez. A sorozat moduljai:

• szerény mennyiségű energiát fogyasztanak,
• néhány perc alatt konfigurálhatók,
• nem igényelnek külső mikrokontrollert.

Az alábbiakban sorra veszünk néhány alapvető információt ezekről a termékekről, valamint példaalkalmazásaikról összetett és folyamatosan működő rendszerekben. Ugyanakkor ez a cikk a Digi termékeinek csak egy részét írja le, amely magában foglalja az alacsonyabb ISM-sávban működő RF-modulokat is (Industrial, Scientific, Medical).

Az alábbiakban a következőket tárgyaljuk meg:

• A ZigBee és a DigiMesh hálózatok közötti különbségek
• A Digi XBee moduljainak megkülönböztető jellemzői
• A mesh hálózat alkalmazása a városi infrastruktúrában
• IoT-technológiákon alapuló kereskedelmi, skálázható rendszerek

XBee 3 modulok

A Digi XBee platform egy teljes, skálázható rendszer. Hardvermegoldásokat és szoftvereszközöket egyaránt tartalmaz. Az XBee 3 környezet alapvető előnye a hálózati paraméterek egyszerű konfigurálása. A modul programozásához az XCTU^®-t kell használni – a Digi által kifejlesztett, szabadalmaztatott, ingyenes alkalmazást. Grafikus felületének köszönhetően a modul firmware könnyedén frissíthető és előre beállítható.
A konfiguráció első szintjén kell kiválasztani a modul működési protokollját (pl. ZigBee, 802.15.4, DigiMesh). Ha a klasszikus ZigBee hálózat mellett dönt, akkor a következő lépésben kiválaszthatja, hogy az adott egység melyik funkciót fogja ellátni: koordinátor, router vagy végberendezés.

• A koordinátor a hálózat létrehozására és kezelésére szolgáló egység. Az infrastruktúrában csak egy eszköz képes ellátni ezt a funkciót.
• A végeszközök az adatok küldésére és fogadására szolgáló végrehajtó komponensek (érzékelők, vezérlők stb.), amelyek routert igényelnek a hálózathoz való csatlakozáshoz. Ezek a modulok általában alacsony fogyasztású üzemmódban működnek, és időnként kikerülnek ebből az üzemmódból adatátvitel céljából.
• A routerek ugyanúgy működhetnek, mint bármely végkészülék, ugyanakkor részt vehetnek a hálózati terjesztésben (kiterjesztésében), valamint más modulokból származó adatok pufferelésében és továbbításában – ezért sajnos folyamatosan aktívnak kell lenniük, és nem léphetnek csökkentett energiafogyasztású üzemmódba.

Megjegyzés! Ez a felosztás és az ilyen korlátozások nem vonatkoznak a DigiMesh hálózatra! Ott minden eszköz külön-külön működik, és adatokat tud fogadni/küldeni más modulokról/modulokhoz, valamint energiát takarít meg.

A készülék további konfigurálása szintén az XCTU^® használatával történik, bár nem ez az egyetlen lehetőség. A modul programozható AT parancsokkal, MicroPython-nal vagy távoli API-val (bizonyos esetekben Bluetooth-szal és speciális applikációval okostelefonra vagy táblagépre). Mivel az eszközök GPIO tűkkel, UART, I²C és SPI interfésszel vannak felszerelve a további mikrokontrollerek használatának szükségessége lényegében megszűnik – ilyen esetben az XBee kártya közvetlenül vezérli az alkatrészeket.

Micro XBee 3 modul (13 × 19 mm)

 
Minden Digi modul egy kész platform, amelyre IoT-projektet lehet alapozni. Az XBee 3 megoldásokat megvalósítók számára ez messzemenő megtakarításokat, valamint új termékek felgyorsult fejlesztését és prototípus-készítését jelenti. Ezenkívül az ügyfelek megnyugodhatnak, hogy az eszközök közötti kommunikáció megfelel a vonatkozó törvényeknek, és termékük nem okoz interferenciát a rádiósávban.

Működési előírások és paraméterek

A TME katalógusból elérhető XBee 3 modulok 8 dBm (XBee 3 sorozat) és 19 dBm (XBee 3 PRO sorozat) átvitelt kínálnak. Több méretben is kaphatók, köztük egy új „mikro” formátumban (13 × 19 mm). A TME kínálatában felületre szerelhető (SMD), vagy tüskesorral ellátott, forrasztáshoz (THT) alkalmas és aljzatba szerelhető változatok is megtalálhatók. Mindezek a termékek -40 °C és 85 °C közötti hőmérsékleten üzemelhetnek.
Modelltől függően a termékeket 1,71...3,8 V vagy 2,1...3,6 V feszültségtartománnyal szállítják. A projektmodul kiválasztásakor érdemes odafigyelni az antenna csatlakoztatásának módjára. Egyes modulok SMA vagy u.FL csatlakozókkal vannak felszerelve, mások beépített antennát használnak PCB nyomvonal formájában. Van egy negyedik lehetőség is, azaz egy rádiójel sugárzása az „RF PAD” mezőbe. Az optimális működéshez (a vevő érzékenysége -103 dBm) a modulokhoz a 2,4 GHz-es sávban történő működésre tervezett antenna csatlakoztatása szükséges.
Az XBee 3 termékek natív támogatást nyújtanak az AES128 és AES256 adattitkosításhoz, hogy magas szintű biztonságot nyújtsanak a továbbított adatokhoz és információkhoz, és megvédjék az eszközöket az illetéktelen hozzáféréstől.

ESETTANULMÁNYOK, ALKALMAZÁSI PÉLDÁK

A Digi márka éppen elég régóta van a piacon ahhoz, hogy ügyfelei számos sikerrel büszkélkedhessenek az XBee technológia használata révén. Nézzünk most meg két esetet a Digi-technológiák felhasználásával végrehajtott nagyszabású projektekre.

Utcai közvilágítás és az Owlet Nightshift

Az első példa az Owlet Nightshift rendszer, amelyet a mainzi német Schréder cég fejlesztett ki. A költségmegtakarítási igényre reagáltak, amikor a projekttervezők azt találták a statisztikákban, hogy az utcai világítás a város energiaköltségeinek akár 40%-át is felemészti. Ezek a számok a világításszabályozás nem gazdaságos és elavult módszereiből származnak. A túlságosan leegyszerűsített ellenőrzés azt is jelentette, hogy a hibás utcai lámpaoszlopokat főleg akkor szervizelték, amikor a polgárok jelezték a városi hatóságoknak a meghibásodásokat.

A DigiMesh hálózat vezérlőpanelhez történő csatlakoztatása egy átjáró segítségével

 
Az Owlet Nightshift rendszert úgy fejlesztették ki, hogy a már meglévő infrastruktúra felhasználásával lehetővé tegye a lámpaoszlopok működésének távvezérlését és felügyeletét. A meglévő lámpabúrákba LED panelek kerültek beépítésre, ugyanazokkal a vezetékekkel táplálva, mint a klasszikus izzók energiaellátásában. Minden panelnek (és így minden lámpaoszlopnak) saját XBee kommunikációs modulja és vezérelhető tápegysége van. A lámpaoszlopok szegmensekre vannak csoportosítva, és vezeték nélkül csatlakoznak a Schréder (Owlet Segment Controller) által kifejlesztett vezérlőhöz. Az OSC 2G/3G-vel, modemmel van felszerelve, és a GSM hálózat segítségével a hálózat darabjai úgy vannak központosítva, hogy minden lámpaoszlop szoftvere távolról frissíthető. Ezzel szükségtelenné válik az egyes lámpaoszlopok közvetlen vezérlése, és egyben lehetővé teszi működésük teljes ellenőrzését.
Az így megépített hálózat olcsón kivitelezhető. Sőt, lehetővé teszi a világítás finom szabályozását az optimális működési paraméterek elérése érdekében. Ez jelentős megtakarítást jelent (Schréder becslése szerint akár a 90%-ot is elérheti). Elsődlegesen a világítás intenzitása az igényeknek megfelelően állítható: nemcsak a napszak és az év, hanem az időjárási viszonyok szerint is. A lámpaoszlopok a normál ütemezésen túl viharos napokon és erősen felhős időben kapcsolnak be. Ezenkívül a megvilágítás hatóköre korlátozott az albedó hatás okozta fényes éjszakákon (ha havazik). A központ azonnali jelet kap, ha lámpaoszlop-meghibásodás lép fel (az XBee modulok rendellenes működési paramétereket jeleznek, vagy áramhiány miatt nem jeleznek) – és ha az egyik lámpaoszlop nem működik, a többiek átmenetileg növelhetik a kibocsátott fény intenzitását annak kompenzálására és a biztonságos útviszonyok fenntartására.

Az USB adapterek lehetővé teszik a laptop közvetlen csatlakoztatását az XBee hálózathoz

Az élelmiszerek tárolási és szállítási feltételeinek monitorozása

Egy másik példa az XBee modulok széles körű megvalósítási lehetőségeire a belga RMONI cég által használt rendszer. Ennek célja az élelmiszerek (és gyógyszerek) tárolása és szállítása során az ellenőrzési paraméterek regisztrálása/figyelése. Ezen a területen jogilag kötelező megadni az áru forgalmazásának minden egyes szakaszában rögzített feltételek adatait. Ez leginkább a gyógyszerekre, friss gyümölcsökre, zöldségekre, tejtermékekre, húsokra és halakra vonatkozik. A levegő hőmérséklete és páratartalma közvetlenül befolyásolja a fogyasztásra/használatra való alkalmasságukat. Ha az ellenőrzési folyamat nem automatizált, a gyártók, forgalmazók és kiskereskedők kénytelenek arra fordítani alkalmazottaik idejét, hogy rendszeresen regisztrálják a hőmérőkből és a páratartalom-mérőkből származó adatokat – ekkor lesz igazán hasznos a RMONI márka rendszere.

Bizonyos XBee 3 modulok legfeljebb 40 mA áramot igényelnek

 
A belga gyártó által kifejlesztett megoldás három komponenst egyesít: a vezeték nélküli kommunikációs modulokhoz csatlakoztatott érzékelőket, az átviteli átjárókat és az adatok felhőben történő regisztrálására szolgáló szoftvert. Az érzékelőket minden olyan helyen elhelyezik, ahol a környezeti feltételek ellenőrzése szükséges. Mivel az XBee modulok energiatakarékosak, a rögzítők konténerekbe, teherautókba és más olyan helyekre is telepíthetők, ahol nincs állandó hozzáférés az elektromos hálózathoz. Az elosztóegységek (beleértve a raktárakat is) vezeték nélküli hálózati átjárókkal vannak felszerelve, amelyekkel minden érzékelő továbbítani tudja az összegyűjtött információkat egy központi adatbázisba. Természetesen ez a folyamat valós időben is lejátszódhat, pl. egy kórházban, ahol szó szerint több száz pontot figyelnek, ahol gyógyszereket, vért és árut tárolnak. A több áruházból álló láncok esetében az élelmiszerek tárolási idejének és körülményeinek felügyelete segíti az áruforgalmazás és -értékesítés irányításának javítását. Az RMONI statisztikái szerint (beleértve a SPAR Lambrechts szupermarketek példáját is) a rendszer bevezetése 10%-kal csökkentette az élelmiszerromlásból eredő hulladékot.

TME Hungary Kft.
1146 Budapest, Hermina út 17.
Tel.: +36 1 220 67 56
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
http://www.tme.eu/hu/pages/library-articles/52074/digi-xbee-megoldasok-osszetett-iot-rendszerekhez