Wdrażanie bezpiecznej i solidnej łączności bezprzewodowej dla systemów inteligentnego zarządzania energią i mediami

Łączność bezprzewodowa, w tym sieci lokalne i łączność w chmurze, jest niezbędnym elementem szeregu systemów inteligentnego zarządzania energią i instalacji użytkowych, w tym liczników energii, infrastruktury krytycznej, systemów zielonej energii, pojazdów elektrycznych, modernizacji sieci energetycznej, inteligentnych sieci energetycznych oraz inteligentnych miast. Zastosowania te często wykorzystują łączność brzegową i wymagają niskiej latencji oraz przewidywalnej i bezpiecznej komunikacji, z obsługą protokołów IEEE 802.15.4, Zigbee, Bluetooth i innych. W niektórych przypadkach korzystne może być zastosowanie w nich protokołu bezprzewodowego niskiej mocy i wysokiej przepustowości, takiego jak standard IEEE 802.11 g/n, który zapewnia dostęp do sieci o dużej szybkości transmisji danych na odległość do około 300 metrów na zewnątrz.

Ponadto wspomniane urządzenia bezprzewodowe muszą spełniać normy Federalnej Komisji Łączności (FCC) w USA, wymagania Europejskiego Instytutu Norm Telekomunikacyjnych (ETSI) oraz norm EN 300 328 i EN 62368-1 w Europie, normy Innovation, Science and Economic Development (ISED) w Kanadzie, normy Ministerstwa Spraw Wewnętrznych i Komunikacji (MIC) w Japonii i inne. Projektowanie systemów łączności bezprzewodowej i uzyskiwanie potrzebnych certyfikatów może być czasochłonne, co powoduje wzrost kosztów i wydłużenie czasu wprowadzenia produktu na rynek. Zamiast tego projektanci mogą sięgnąć po wstępnie zaprojektowane i certyfikowane moduły i platformy rozwojowe komunikacji bezprzewodowej, które można łatwo zintegrować z inteligentnymi urządzeniami infrastruktury energetycznej i użytkowej.

Niniejszy artykuł zaczyna się od przeglądu kilku opcji i architektur komunikacyjnych sieci lokalnych i łączności w chmurze, z uwzględnieniem opcji sieci przewodowych i bezprzewodowych. W dalszej części zaproponowano kilka platform bezprzewodowych firm Digi, Silicon Labs, Laird Connectivity, Infineon oraz STMicroelectronics, służących do wdrażania bezpiecznych i solidnych urządzeń łączności bezprzewodowej na potrzeby systemów inteligentnego zarządzania energią i mediami, wraz ze środowiskami rozwojowymi przyspieszającymi proces projektowania.

Duże możliwości i wyzwania

Dużym możliwościom zazwyczaj towarzyszą duże wyzwania. Tak jest bezsprzecznie w przypadku wdrażania systemów inteligentnego zarządzania energią i mediami w infrastrukturze inteligentnych miast. Przede wszystkim istnieje potrzeba efektywnej integracji istniejącej i starzejącej się infrastruktury. Co więcej, istnieje potrzeba wdrożenia geograficznie rozproszonych i technologicznie heterogenicznych sieci o wysokiej wydajności i wytrzymałości. Wreszcie oczekuje się, że sieci te zapewnią elastyczność pozwalającą na radzenie sobie z rozwojem przyszłych technologii, takich jak inteligentne i połączone z siecią pojazdy.

Na przykład zaawansowane zautomatyzowane systemy zarządzania ruchem ulicznym mogą zwiększać bezpieczeństwo, poprawiać zużycie energii i zmniejszać wpływ samochodów, autobusów i innych pojazdów na środowisko. W tym przypadku scentralizowany system zarządzania ruchem ulicznym jest połączony z siecią za pomocą światłowodów o wysokiej przepustowości i bezprzewodowej komunikacji dosyłowej. Do jego elementów można zaliczyć (ilustracja 1):

• Routery sieci Ethernet oraz sieci komórkowej obsługujące urządzenia protokołu internetowego (IP) na poziomie lokalnym. W niektórych przypadkach w celu rozszerzenia użyteczności sieci i redukcji kosztów dodatkowo wdrażana jest opcja zasilania przez Ethernet (PoE).
• Starsze urządzenia można zintegrować poprzez specjalne połączenia i porty szeregowe.
• Lokalne urządzenia Wi-Fi i Bluetooth mogą monitorować natężenie ruchu drogowego i pieszych, anonimizując dane. Uzyskane dane można analizować lokalnie i przesyłać do centralnego systemu zarządzania ruchem ulicznym w celu podejmowania decyzji i realizacji funkcji sterowania wyższego rzędu.
• Kombinacja danych z kamer drogowych, czujników (takich jak czujniki radarowe lub czujniki w technologii LiDAR) oraz innych źródeł jest wykorzystywana przez lokalne zaawansowane półprzewodnikowe kontrolery ruchu (ASTC) oraz przesyłana do scentralizowanego centrum zarządzania w celu optymalizacji przepływu ruchu ulicznego w czasie rzeczywistym.

Ilustracja 1: zautomatyzowane zarządzanie ruchem ulicznym w inteligentnym mieście obejmuje różne dziedziny, od wykrywania pieszych i pojazdów przez Wi-Fi, kamery drogowe i kontrolery ASTC, po scentralizowany ośrodek zarządzania ruchem ulicznym i jego kontroli. (Źródło ilustracji: Digi)

Ogólną sprawność energetyczną, bezpieczeństwo publiczne i wpływ dróg miejskich na środowisko można poprawić poprzez:

• Wykrywanie i minimalizowanie zatorów dzięki modyfikacji przepływów ruchu i czasu trwania sygnalizacji w czasie zbliżonym do rzeczywistego przy użyciu kombinacji lokalnych i scentralizowanych środków kontroli.
• Ustawienie synchronizacji sygnalizacji w taki sposób, aby umożliwiać efektywne i zgodne z harmonogramem funkcjonowanie autobusów i innych form transportu zbiorowego.
• Przekazywanie służbom ratowniczym informacji o optymalnych trasach przejazdu w czasie rzeczywistym, aby przyspieszyć ich dotarcie na miejsce i zminimalizować ogólny wpływ na bezpieczeństwo publiczne.

Inteligentne miasta przyszłości

Współczesne inteligentne miasta są nadal w większości w fazie rozwoju. Istnieje ogromny potencjał dla ulepszeń i postępu. Inteligentne miasta w przyszłości będą w coraz większym stopniu skupiać się na zintegrowanej sprawności energetycznej i poprawie jakości życia. Normą staną się pojazdy elektryczne oraz pojazdy inteligentne lub autonomiczne. Będą one zintegrowane z inteligentnymi budynkami mieszkalnymi, inteligentną infrastrukturą ładowania, inteligentnymi systemami dostaw oraz kompleksowymi systemami transportu, w tym pociągami, lekką koleją i autobusami, a także elektrycznymi robo-taksówkami obsługującymi ostatnie etapy podróży.

Mieszkańcy będą używać smartfonów do coraz większej liczby zastosowań, w tym do zakupu biletów autobusowych i kolejowych, co przyspieszy ten proces i jeszcze bardziej zmniejszy wpływ transportu na środowisko. Transport nadal będzie głównym, choć nie jedynym, zastosowaniem pojazdów elektrycznych.

Według firmy Infineon pojazdy użytkowe, takie jak ciężarówki, autobusy, samochody towarowe i dostawcze oraz sprzęt budowlany, odpowiadają za około jedną czwartą emisji CO₂ w mieście i około pięć procent całkowitej emisji gazów cieplarnianych (GHG). Konieczne będzie opracowanie zintegrowanej infrastruktury na potrzeby ładowania nie tylko pojazdów osobowych i rowerów elektrycznych, ale też większych akumulatorów we wspomnianych pojazdach użytkowych. Infrastruktura ładowania będzie musiała być połączona z siecią i centralnie sterowana, aby zmaksymalizować szybkość ładowania dla różnych typów pojazdów i ich zastosowań.

Aby umożliwić redukcję wpływu na środowisko, poprawę jakości życia i efektywne wykorzystanie energii, potrzebne będą złożone sieci bezprzewodowe działające w czasie rzeczywistym z monitorowaniem działania rozproszonych odnawialnych źródeł energii, mikrosieci i magazynów energii, optymalizacją wykorzystania energii, zarządzaniem zużyciem wody i gospodarką ściekową oraz zarządzaniem szeroką gamą systemów transportowych i innych. Wspomniane sieci czasu rzeczywistego muszą być odporne i charakteryzować się minimalnymi latencjami (ilustracja 2). Do budowy infrastruktury inteligentnych miast projektanci potrzebują narzędzi, które umożliwią im szybki rozwój, wdrażanie i aktualizację złożonych sieci komunikacyjnych i urządzeń podłączonych do sieci.

Ilustracja 2: infrastruktura techniczna inteligentnych miast będzie opierać się na solidnych sieciach bezprzewodowych działających w czasie rzeczywistym, umożliwiających połączenie różnych dziedzin zastosowań. (Źródło ilustracji: Infineon)

Bezpieczne sieci z modułami bezprzewodowymi

Aby szybko wdrożyć bezpieczną sieć, projektanci mogą skorzystać z modułów bezprzewodowych XBee RR firmy Digi opartych na bezprzewodowym układzie SoC EFR32MG21B020F1024IM32-BR firmy Silicon Labs, który posiada rdzeń ARM Cortex-M33 80MHz oraz zintegrowany podsystem zabezpieczeń. Moduły XBee wykorzystują wiele protokołów bezprzewodowych i pasm częstotliwości, np. Zigbee, 802.15.4 i DigiMesh, a także Bluetooth Low Energy (BLE) na potrzeby obsługi szerokiego zakresu architektur sieciowych. DigiMesh jest protokołem równorzędnej sieci kratowej, który pozwala zredukować złożoność zastosowania protokołu Zigbee w topologiach PMP (jeden punkt centralny i wiele punktów końcowych). Omawiane moduły obsługują technologię BLE i mogą łączyć się z innym urządzeniem BLE.

Połączenie ze smartfonem można wykorzystać do konfiguracji i programowania modułów za pomocą aplikacji mobilnej XBee. Ponadto deweloperzy mogą korzystać z platformy konfiguracyjnej XCTU kompatybilnej z systemami Windows, MacOS i Linux. Platforma XCTU wykorzystuje graficzny widok sieci, aby uprościć konfigurację sieci bezprzewodowej oraz narzędzie rozwojowe API Frame Builder do szybkiego budowania ramek API XBee. Inne funkcje i opcje modułów:

• Dostępne warianty obudów to m.in. urządzenia z mikromocowaniami, o wymiarach 13mm x 19mm, takie jak XBRR-24Z8UM, moduły do montażu powierzchniowego, takie jak XBRR-24Z8PS-J, oraz konfiguracje do montażu przewlekanego, takie jak XBRR-24Z8ST-J (ilustracja 3)
• Wersja PRO posiada certyfikat FCC na potrzeby eksploatacji w Ameryce Północnej, a wersja standardowa spełnia standardy ETSI na potrzeby eksploatacji w Europie
• Konfiguracje modułów małej i dużej mocy
• Zasięg wewnątrz pomieszczeń lub w miastach do 90m (300ft.), w zależności od warunków
• Zasięg na zewnątrz w linii prostej bez przeszkód na drodze do 3200m (2mi), w zależności od warunków
• Zintegrowana aplikacja zabezpieczeń Internetu rzeczy (IoT) upraszcza integrację zabezpieczeń urządzeń, tożsamości urządzeń i prywatności danych

Ilustracja 3: opcje obudów modułów bezprzewodowych XBee firmy Digi to m.in. wersja z mikromocowaniami (po lewej), do montażu powierzchniowego (w środku) i do montażu przewlekanego (po prawej). (Źródło ilustracji: DigiKey)

Bramy inteligentne

Moduły Sterling LWB+ firmy Laird Connectivity, takie jak 453-00084R to wysokowydajne moduły łączące w sobie technologię WLAN i Bluetooth 2,4GHz przeznaczone do bezprzewodowych urządzeń Internetu rzeczy (IoT) i bram inteligentnych. Są one oparte na jednoukładowym radiowym układzie scalonym AIROC CYW43439 firmy Infineon i charakteryzują się zakresem temperatur pracy od -40°C do +85°C, co czyni je odpowiednimi dla szeregu zastosowań w obszarze inteligentnej infrastruktury, inteligentnych miast oraz energetyki. Moduły Sterling LWB+ posiadają certyfikaty wymagane w różnych częściach globu, w tym FCC, ISED, EU, MIC oraz AS/NZS.

Moduły Sterling LWB+ są wyposażone w funkcję kontroli dostępu do mediów (MAC), pasmo podstawowe i radio, a także niezależny szybki uniwersalny asynchroniczny nadajniko-odbiornik (UART) do interfejsów Bluetooth. Firmy Laird Connectivity i Infineon zapewniają obsługę najnowszych sterowników dla systemów Android i Linux. Zintegrowana antena chipowa jest odporna na rozstrojenie i upraszcza projektowanie oraz produkcję układu. Sterling LWB+ to system w jednej obudowie (SIP) dostępny z wtykami lokalizującymi, zintegrowaną anteną chipową lub złączem MHF4. Wyposażono je również w funkcję szyfrowania WPA/WPA2/WPA3. Moduły te są dostępne w czterech typach obudów, aby spełnić potrzeby systemów o różnych projektach i wymagania różnych zastosowań (ilustracja 4).

Ilustracja 4: system w jednej obudowie (SiP) Basic Sterling LWB+ (pierwszy po lewej), moduł ze złączem MHF (drugi od lewej), moduł ze zintegrowaną anteną (trzeci od lewej) oraz złącze krawędziowe karty (po prawej). (Źródło ilustracji: Laird Connectivity)

System Sterling-LWB+ zawiera wysokoparametrowe bezpieczne wejście i wyjście cyfrowe (SDIO), które ułatwia integrację z dowolnym systemem opartym na systemie Linux lub Android. Aby przyspieszyć tworzenie bezprzewodowych urządzeń Internetu rzeczy (IoT) i bram inteligentnych, projektanci mogą sięgnąć po zestaw rozwojowy 453-00084-K1 wyposażony w moduł 453-00084R ze zintegrowanym złączem MHF (ilustracja 5).

Ilustracja 5: ta płytka rozwojowa jest wyposażona w moduł 453-00084R Sterling LWB+ firmy Laird ze zintegrowanym złączem MHF (źródło ilustracji: Laird Connectivity)

Bezprzewodowe węzły czujnikowe klasy przemysłowej

Bezprzewodowe węzły czujnikowe są ważnym elementem systemów inteligentnego zarządzania energią i mediami w inteligentnych miastach. Aby ułatwić projektantom szybkie projektowanie, prototypowanie i testowanie zaawansowanych bezprzewodowych węzłów sensorycznych, firma STMicroelectronics oferuje zestaw rozwojowy STEVAL-STWINKT1B SensorTile z projektem referencyjnym. Zawiera on płytkę rozszerzeń X-NUCLEO-SAFEA1A obsługującą uwierzytelnianie urządzeń Internetu rzeczy (IoT) i bezpieczne zarządzanie danymi, moduł nadawczo-odbiorczy Bluetooth BLUENRG-M2SA oraz mikrofon mikroelektromechaniczny (MEMS) IMP23ABSUTR. Wspomniany mikrofon MEMS jest przeznaczony do stosowania z wbudowanym mikrokontrolerem ultraniskiej mocy do analizy wibracyjnej danych z czujników ruchu o 9 stopniach swobody (DoF) w szerokim zakresie częstotliwości drgań od 35Hz do częstotliwości ultradźwiękowych. Zawiera także przyspieszeniomierz, żyroskop, czujnik wilgotności, magnetometr oraz czujniki ciśnienia i temperatury.

Zestaw rozwojowy SensorTile obejmuje również dostęp do szeregu pakietów oprogramowania, bibliotek oprogramowania układowego oraz aplikacji z pulpitem nawigacyjnym w chmurze, które przyspieszają tworzenie kompleksowych systemów czujników Internetu rzeczy (IoT). Zintegrowany moduł zapewnia łączność BLE, nadajniko-odbiornik RS484 obsługuje połączenia przewodowe, a wtykowa płytka rozszerzeń STEVAL-STWINWFV1 oferuje łączność Wi-Fi. Na płycie głównej znajduje się złącze STMod+ umożliwiające dodawanie płytek-córek o niewielkich wymiarach opartych na grupie mikrokontrolerów STM32. Zestaw rozwojowy zawiera także baterię litowo-polimerową (Li-Po) o pojemności 480mAh, autonomiczną sondę do debugowania i programowania STLINK-V3MINI oraz obudowę z tworzywa sztucznego (ilustracja 6).

Ilustracja 6: zestaw rozwojowy STEVAL-STWINKT1B SensorTile z projektem referencyjnym to kompleksowy zestaw czujników otoczenia obsługujący kilka opcji łączności. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Podsumowanie

Do zaspokojenia potrzeb systemów inteligentnego zarządzania energią oraz instalacji użytkowych w inteligentnych miastach wymagany jest szereg protokołów łączności bezprzewodowej. Systemy te pomagają zwiększać sprawność energetyczną, poprawiać bezpieczeństwo publiczne, ułatwiać bardziej efektywne wykorzystanie wody i energii oraz zmniejszać emisję CO₂ i gazów cieplarnianych. Istnieje wiele modułów bezprzewodowych i środowisk rozwojowych dla protokołów bezprzewodowych Wi-Fi, Zigbee i Bluetooth Low Energy, które mogą zapewnić bezpieczną i solidną łączność potrzebną dla systemów inteligentnego zarządzania energią i mediami w infrastrukturze inteligentnego miasta.