Internet of Things (IoT)-sensornetwerken hebben bewezen het spel van industriële automatisering, hernieuwbare energiebronnen en intelligente verlichtingssystemen te veranderen door de efficiëntie te verbeteren met realtime gegevens en de uitvaltijd te verminderen door middel van voorspellend onderhoud. Naarmate systemen echter worden uitgerust met steeds meer draadloze sensorknooppunten, zullen ontwerpers voor de uitdaging komen te staan om deze Industrial Internet of Things (IIoT)-netwerken betrouwbaar uit te breiden in ruwe omgevingen, terwijl ze de implementatie- en bedrijfskosten minimaliseren, netwerkcongestie aanpakken en de veiligheid garanderen.
Dit artikel geeft een overzicht van de verschillende problemen waarmee ontwerpers te maken krijgen bij het uitbreiden van IIoT-netwerken. Digi's Low-Power Bluetooth (BLE)-module en ontwikkelingskit worden vervolgens geïntroduceerd om te illustreren hoe deze producten de bovenstaande problemen snel en effectief kunnen oplossen.
Uitdagingen bij het uitbreiden van de draadloze IoT-infrastructuur
IIoT bestrijkt een breed scala aan toepassingen waarbij data-acquisitie essentieel is om de efficiëntie en voorspelbaarheid te verbeteren. Met intelligente verlichting als voorbeeld verzamelen draadloze sensoren gegevens over het omgevingslicht en de bezettingsgraad en passen ze het gebruik in realtime aan om het energieverbruik en de daarmee samenhangende kosten te besparen.
Op dezelfde manier maken toepassingen voor hernieuwbare energie gebruik van een extern IoT-sensornetwerk om verschillende energiebronnen, zoals zonne- en windenergie, te monitoren. Deze netwerken monitoren de toestand en prestaties van het systeem, voorspellen fouten en regelen dynamisch de netvoorziening.
Net als op andere gebieden waar industriële automatiseringstechnologie wordt gebruikt, is het verzamelen van gegevens van bewegende delen van cruciaal belang voor het uitvoeren van voorspellend onderhoud. Honderden draadloze sensoren zijn overal in het industriële systeem geïnstalleerd en bieden fijnmazige gegevensinformatie om processen te optimaliseren, onderhoud te verminderen en de bedrijfskosten te verlagen. Naarmate de omvang van het sensornetwerk echter groter wordt, kunnen er problemen optreden die de prestaties beïnvloeden, zoals
Storing: Industriële omgevingen worden vaak beïnvloed door hoge niveaus van elektromagnetische interferentie (EMI) gegenereerd door motoren, schakelende voedingen en booglasapparatuur. Deze EMI veroorzaakt een periodieke vermindering van de gegevensoverdrachtsnelheid, wat de effectieve gegevensoverdracht ernstig kan beïnvloeden.
Overbevolking van het netwerk: Het gebruik van meerdere draadloze apparaten in de nabijheid kan netwerkverzadiging veroorzaken, wat resulteert in grotere latentie en verbindingsuitval, wat realtime detectie kan belemmeren en het stroomverbruik kan verhogen.- g.
Beveiliging: hackeraanvallen vormen een gevaar voor kritieke infrastructuur, zoals energie of logistiek, dus sensornetwerken moeten robuuste beveiliging hebben. Naarmate het aantal eindpunten toeneemt, neemt het aantal kwetsbaarheden echter toe.
Een andere uitdaging is het integreren van draadloze sensoren met standaard industriële protocollen. Deze integratie kan het opnieuw formatteren en comprimeren van gegevens inhouden om het netwerkverkeer te verminderen; Deze processen moeten echter op het apparaat worden uitgevoerd en de kosten en het energieverbruik stijgen snel naarmate het aantal sensoren en protocollen toeneemt. Bovendien heeft het toenemende aantal sensoren in het veld geleid tot steeds complexer onderhoud vanwege de onvoorspelbaarheid van sensoronderhoud, of het nu om een storing gaat of alleen om het vervangen van de batterij.
Bluetooth-technologie in grootschalige IIoT
Van de vele draadloze IIoT-protocollen is Bluetooth een krachtige oplossing om een reeks problemen op te lossen naarmate het sensornetwerk zich uitbreidt. Door bijvoorbeeld adaptieve frequentiehopping (AFH) te gebruiken, verbetert Bluetooth-technologie de immuniteit. De AFH verdeelt de gegevens in kleine pakketten en verzendt deze over meerdere frequenties en combineert deze vervolgens opnieuw aan de ontvangende kant. Eventuele verloren pakketten worden opnieuw verzonden nadat een verliesrapport is verzonden om de betrouwbaarheid van de communicatie te garanderen en verlies van lange informatie als gevolg van elektromagnetische interferentie te voorkomen.
Om overbevolking van het netwerk te voorkomen, ondersteunt Bluetooth-technologie het regelen van het zendvermogen ten opzichte van de ontvanger nadat de verbinding tot stand is gebracht. Deze aanpak, gecombineerd met AFH, draagt bij aan energiebesparingen en minimaliseert EMI, waardoor honderden draadloze apparaten in dezelfde ruimte kunnen werken. Bovendien vermindert Bluetooth-technologie de kwetsbaarheden in de beveiliging door gebruik te maken van krachtige encryptie en veerkrachtige verificatieprotocollen.
Bij IIoT-implementaties communiceert het grootschalige Bluetooth-sensornetwerk voornamelijk via gateways die zijn ontworpen om met meerdere apparaten te communiceren. Door sensornodes rond Bluetooth te bouwen, kunnen ontwikkelaars naadloze interoperabiliteit met smartphones en tablets realiseren, waardoor de installatie en diagnostiek worden vereenvoudigd en de onderhoudsefficiëntie wordt verbeterd.
Om ervoor te zorgen dat draadloze netwerken zich kunnen aanpassen aan IIoT, moeten Bluetooth-sensornetwerken zich echter ook op betrouwbare wijze aanpassen aan zware gebruiksomstandigheden, het energieverbruik verminderen, de kosteneffectiviteit verhogen en het onderhoud vereenvoudigen.
IIoT-netwerken bouwen met BLE BLE-modules van industriële kwaliteit
Met behulp van Digi's XBee 3 BLU BLE 5.4-module en ontwikkelingskit kunnen ontwerpers snel en direct draadloze IIoT-netwerken implementeren. De module heeft een industrieel temperatuurbereik van -40 °C tot +85 °C en maakt gebruik van inactieve en slapende bedrijfsmodi om te voldoen aan de eisen op het gebied van betrouwbaarheid en energieverbruik. Het stroomverbruik van het XBee 3 BLU-apparaat is respectievelijk 7,5 mA (mA) en 8 microampère (μA), wat de langdurige installatie van externe sensoren op moeilijke locaties kan ondersteunen, zodat waardevolle informatie kan worden verkregen zonder periodieke batterijvervanging.
Andere kenmerken zijn onder meer:
De maximale gegevensoverdrachtsnelheid bedraagt 2 megabit per seconde (Mb/s), wat gedetailleerde informatie oplevert over de werking van complexe machines
Het maximale zendvermogen bedraagt +8 dB milliwatt (dBm), waarmee high-fidelity-communicatie kan worden gerealiseerd binnen het directe zichtbereik van 15 meter (m) binnen of 300 meter buiten
Digitale I/O en 4 10-bit ADC-ingangen voor flexibele integratie met verschillende apparaat- en sensorinterfaces
V tot 3,8 V voeding, flexibele vermogensselectie
Digi TrustFence Security voor apparaat- en netwerkbescherming, inclusief veilig opstarten, beveiligde hardwarepoorten en apparaatverificatie
State-of-the-art microprogrammeerbaarheid voor snelle ontwikkeling van gegevensverwerkings- en beslissingssystemen op het apparaat
Volledig gereguleerd in Noord-Amerika (FCC, IC) en Europa (ETSI)