Szybka instalacja zdalnych przemysłowych punktów końcowych IoT za pomocą mikrokontrolera i routera LTE

Wraz z rozwojem zastosowań Internetu rzeczy (IoT), rośnie również zasięg powiązanych z nim sieci. Podczas gdy technologie Wi-Fi, Bluetooth i Zigbee mogą być dostępne w ramach wygodnej sieci bezprzewodowej w pobliżu obiektu przemysłowego lub wewnątrz niego, niektóre sieci przemysłowego internetu rzeczy (IIoT) wymagają zdalnego monitorowania i sterowania systemami w obszarze, który może być oddalony o wiele kilometrów lub szeroko rozproszony – często w lokalizacjach, do których dostęp jest dla techników trudny i czasochłonny. W takich sytuacjach najlepszym rozwiązaniem bezprzewodowym jest sieć komórkowa.

Niniejszy artykuł wyjaśnia potrzebę zdalnego monitorowania danych i kontroli komórkowej w niektórych zastosowaniach IIoT oddalonych o wiele kilometrów oraz opisuje zalety zdalnego węzła IIoT, który oszczędza energię przy minimalnej konserwacji lub całkowicie bez niej. Obejmuje on też wprowadzenie mikrokontrolera komórkowego firmy Nordic Semiconductor, który może przesyłać dane po sieci LTE do routera komórkowego firmy Phoenix Contact zamontowanego na szynie DIN.

Rosnąca sieć IIoT

Standardowe sieci IIoT są ustawiane w jednym miejscu, takim jak zakład produkcyjny, zautomatyzowany magazyn lub parking zewnętrzny. Połączenie z koncentratorem może być przewodowe, jak w przypadku przemysłowego Ethernetu, lub bezprzewodowe, jak w przypadku Wi-Fi lub Zigbee. Można nimi łatwo zarządzać z centralnej lokalizacji, w której znajduje się gotowy dostęp do punktów końcowych sieci IIoT, co pozwala na sprawną konserwację lub wymianę.

Wraz z rozwojem IIoT zwiększyła się liczba zastosowań. W celu zwiększenia wydajności i uzyskania natychmiastowej kontroli nad siecią, kierownicy obiektów muszą aktywnie monitorować i sterować zdalnymi systemami z minimalnym opóźnieniem pomiędzy systemem zdalnym a koncentratorem w centrali. Systemy transportowe, takie jak kolej, metro i ciężarówki na trasach międzymiastowych mogą odnieść duże korzyści z monitorowania różnych czujników w silniku spalinowym lub elektrycznym - wraz ze zużyciem paliwa i energii, prędkością i odległością - a także na pozycjonowaniu GPS do śledzenia lokalizacji i szacowania czasu do osiągnięcia celu. Dane te są wysyłane do głównego obiektu lub centrali firmy i tam podlegają analizom. Dane można wykorzystywać niemal natychmiast, by zaoszczędzić czas i pieniądze poprzez poprawę wydajności i zapobieganie awariom, a tym samym obniżyć koszty przy jednoczesnym zwiększeniu niezawodności.

Rurociągi naftowe i gazowe korzystają z sieci IIoT, monitorując objętość i ciśnienie w rurociągach, a także warunki środowiskowe, takie jak temperatura, odczyty barometru i wilgotność. Precyzyjny monitoring lokalizacji GPS wraz z czujnikami drgań i żyroskopowymi może wykryć ruch na rurociągu spowodowany siłami zewnętrznymi takimi jak aktywność sejsmiczna. W niektórych przypadkach przepływ przez rurociąg może zostać zdalnie ograniczony lub zatrzymany w odpowiedzi na wykrytą sytuację awaryjną, taką jak trzęsienie ziemi. Sprzęt może prowadzić autodiagnostykę i wysyłać wyniki do analizy w fabryce. Ponieważ rurociągi te mogą być zlokalizowane w trudnych warunkach środowiskowych, wiele tysięcy kilometrów od siedziby głównej, jak na przykład koło podbiegunowe, ważne jest, aby punkt końcowy posiadał całkowicie niezawodną sieć komunikacyjną.

Wejdź do komórkowej sieci IoT

Wychodząc naprzeciw tym potrzebom, sieć IIoT rozszerzyła się o przesyłanie danych w ramach istniejących sieci komórkowych LTE (Long Term Evolution). Pozwala to na umieszczenie punktu końcowego IIoT prawie w każdym miejscu na świecie, w którym dostępna jest sieć LTE, o ile możliwe jest zainstalowanie i utrzymanie źródła zasilania. Dodatkową zaletą jest to, że wysiłek i koszty związane z utrzymaniem sieci komórkowej należą do obowiązków operatorów komórkowych. Ponieważ systemy te mogą być zlokalizowane w odległych, niemonitorowanych, trudno dostępnych miejscach, zdalny komórkowy punkt końcowy IIoT musi być niezawodny i odporny na ataki hakerskie lub fizyczne ingerencje.

Pierwszym krokiem w kierunku niezawodnego systemu wbudowanego dla IIoT jest utrzymanie prostoty systemu przy jednoczesnej minimalizacji mocy. Zachowanie prostoty systemu zmniejsza liczbę miejsc występowania awarii. Obniżenie poboru mocy zwiększa niezawodność poprzez redukcję ciepła, co wydłuża żywotność większości urządzeń półprzewodnikowych, a także zwiększa żywotność baterii w zasilanych w ten sposób punktach końcowych IIoT.

Aby spełnić te wymagania, firma Nordic Semiconductor wprowadziła mikrokontroler komórkowy IoT LTE nRF9160. Mikrokontroler nRF9160 ułatwia rozwój komórkowych punktów końcowych IIoT poprzez włączenie kompletnego modemu LTE zgodnego z najnowszymi standardami komórkowego IoT oraz komunikacji urządzeń (M2M - machine to machine) (ilustracja 1).

<Ilustracja 1: mikrokontroler komórkowy LTE Nordic Semiconductor nRF9160 oparty na rdzeniu Arm® Cortex®-M33. Posiada on wszystkie urządzenia obwodowe potrzebne do zbudowania komórkowego punktu końcowego IoT, włącznie z modemem LTE oraz modułem GPS. (Źródło ilustracji: Nordic Semiconductor)

Mikrokontroler Nordic Semiconductor nRF9160 oparty jest na 64-megahercowym (MHz) rdzeniu procesora Arm Cortex-M33, który jest przeznaczony do zastosowań IoT o niskiej mocy. Cortex-M33 obsługuje operacje MAC (multiply-accumulate) wykonywane w jednym cyklu i posiada instrukcje pojedynczej precyzji dla koprocesora (FPU), podział sprzętowy oraz operacje wykonywania jednej instrukcji na wielu danych (SIMD). Przydaje się to przy szybkim przetwarzaniu danych z czujników, jak w przypadku obliczeń fuzji sensorów. Cortex-M33 jest wysoce deterministyczny, nawet przy wchodzeniu w tryby niskiej mocy i wychodzeniu z nich, a także obsługuje wykonywanie operacji w czasie rzeczywistym.

Mikrokontroler nRF9160 posiada wewnętrzną pamięć flash o pojemności 1 megabajta (MB) dla oprogramowania układowego oraz 256 kilobajtów (kB) pamięci RAM o niskim prądzie upływowym. Posiada on podsystem Arm TrustZone do operacji kryptograficznych, w tym szyfrowania AES, generator liczb prawdziwie losowych (TRNG) oraz bezpieczne zarządzanie hasłami. Jest to przydatne do weryfikacji transmisji zaszyfrowanych danych, jak również wykrywania ingerencji w oprogramowanie układowe. Standardowe jednoukładowe interfejsy szeregowe obejmują porty SPI, I²C, oraz UART do podłączania zewnętrznych czujników i aktuatorów. Ośmiokanałowy, natywnie 12-bitowy (14-bitowy z nadpróbkowaniem) przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) przydaje się do odczytu czujników analogowych.

Mikrokontroler nRF9160 zawiera również wewnętrzny odbiornik GPS zoptymalizowany pod kątem punktów końcowych IoT o niskiej mocy. Jest szczególnie użyteczny w przypadku ruchomych punktów końcowych, takich jak ciężarówki i pociągi. Jest on również przydatny w przypadku systemów, które mogą w sposób niezamierzony zmienić swoje położenie na skutek aktywności sejsmicznej, lub do wykrywania zamierzonego ruchu, jeżeli punkt końcowy jest zamontowany na urządzeniu ruchomym, takim jak sprzęt robotyczny. Odbiornik GPS współużytkuje wewnętrzny nadajniko-odbiornik RF z modemem LTE. Jeśli zarówno modem LTE, jak i odbiornik GPS są aktywne, współużytkowany nadajniko-odbiornik RF jest zwielokrotniony z podziałem czasu z modułem GPS i modemem LTE, przy czym priorytet ma modem LTE.

Modem LTE w mikrokontrolerze nRF9160 składa się z głównego procesora sterującego z dedykowaną pamięcią flash i RAM, procesora pasma podstawowego, nadajniko-odbiornika RF z zewnętrznym pinem antenowym 50 omów (Ω) oraz interfejsu karty SIM. Dla zwiększenia niezawodności komunikacji modem LTE posiada własną diagnostykę i wykrywanie usterek. Modem LTE obsługuje protokoły transmisji danych M2M i IoT niskiej mocy, w tym Cat-M1, Cat-NB1 oraz Cat-NB2.

Do wymiany danych w sieci LTE modem LTE wymaga standardowej karty SIM zawierającej sieć bezprzewodową, numer telefonu oraz informacje o abonencie. Główny procesor mikrokontrolera LTE nRF9160 posiada interfejs zewnętrznej uniwersalnej karty z układem scalonym (UICC), zwany również interfejsem karty SIM, do podłączenia do każdej aktywowanej karty SIM, która jest kompatybilna ze standardami transmisji danych LTE-M lub Narrowband IoT (NB-IoT).

Każdy punkt końcowy nRF9160 LTE będzie wymagał zakupu od operatora komórkowego karty SIM z odpowiednim planem danych. Kartę SIM i plan danych komórkowych dla urządzeń IoT podłączonych do sieci można wygodnie zakupić w firmie DigiKey. Dostępne są plany danych od 300kB do 5 gigabajtów (GB) miesięcznie.

Mikrokontroler nRF9160 może pracować z napięciem od 3,0 do 5,5V, dzięki czemu nadaje się do stosowania z zasilanymi bateriami punktami końcowymi IIoT z baterią litową 3,7V. Zalecana jest praca z napięciem 3,7V, ponieważ większość specyfikacji urządzenia odnosi się do napięcia zasilania 3,7V. Większość obszarów zasilania urządzeń obwodowych i modułów procesora w mikrokontrolerze nRF9160 można skonfigurować, a zasilanie można włączać i wyłączać pod kontrolą oprogramowania układowego. Pozwala to deweloperom na dostosowanie bieżącego poboru prądu do wymagań konkretnego zastosowania.

Mikrokontroler nRF9160 posiada tryb oszczędzania energii (PSM), który przełącza rdzeń w tryb bezczynności (zachowane zostają stany rejestru rdzenia), modem LTE jest wyłączony, a większość urządzeń obwodowych jest wyłączona. Dla punktu końcowego IIoT, który musi śledzić upływ czasu, dzięki zegarowi czasu rzeczywistego działającemu w trybie PSM, mikrokontroler nRF9160 pobiera tylko 2,35 mikroampera (µA) - to imponująco niski pobór prądu dla urządzenia zasilanego bateriami.

Moduł GPS pobiera znaczny prąd 47 miliamperów (mA) podczas ciągłego śledzenia lokalizacji. Jednak bardziej praktyczne jest uruchamianie GPS w trybie PSM, ponieważ pobiera on jedynie dodatkowe 12mA. To zastosowanie jest odpowiednie dla pociągów lub ciężarówek, które wymagają ciągłego monitorowania lokalizacji w czasie rzeczywistym. Jeszcze bardziej energooszczędne jest skonfigurowanie GPS tak, aby ustalał pozycję punktowo raz na dwie minuty, co wymaga tylko 1,3mA. Jest to właściwe dla węzłów stałych, które mają na celu wykrywanie sporadycznych ruchów.

Podczas komunikacji za pomocą dowolnego protokołu LTE-M, mikrokontroler nRF9160 może transmitować dane z prędkością do 375 kilobitów na sekundę (kbps). Protokół NB-IoT niższej przepływności danych osiąga prędkość 60kbps. Niższa przepływność danych pozwala na oszczędność energii przy jednoczesnym zachowaniu niezawodnej komunikacji pomiędzy punktem końcowym a koncentratorem. Modem LTE obsługuje również bezpieczeństwo warstwy transportowej (TLS), umożliwiając bezpieczną, szyfrowaną komunikację, która pomaga zapobiegać atakom typu „man-in-the-middle” lub nieautoryzowanemu przechwytywaniu przesyłanych danych.

Mikrokontroler nRF9160 działa w temperaturach od -40 do +85°C, dzięki czemu nadaje się do pracy w ekstremalnie niskich i bardzo wysokich temperaturach.

Radio LTE zapewnia do 23 decybeli w odniesieniu do 1 miliwata (mW) (dBm) mocy wyjściowej do anteny. Jest on kompatybilny z IPv4 i najnowszym IPv6, dzięki czemu można go łatwo rozszerzyć na nowe adresy IP bez ograniczeń IPv4. Modem LTE obsługuje również wysyłanie wiadomości tekstowych. Umożliwia to punktowi końcowemu IIoT wysyłanie i odbieranie danych tekstowych podobnych do danych z telefonu komórkowego, z tą różnicą, że zamiast pisać „cześć", wiadomości mogą służyć do odbierania danych z czujnika i wysyłania poleceń operacyjnych.

Rozwój punktów końcowych LTE

Aby wesprzeć rozwój nRF9160, firma Nordic Semiconductor dostarcza komórkową płytkę rozwojową nRF6943 Nordic Thingy:91 (ilustracja 2). Płytka jest wygodnie zapakowana w jasnopomarańczowe pudełko w formie zestawu niemalże gotowego do szybkiego użycia.

Ilustracja 2: Nordic Semiconductor nRF6943 Thingy:91 to w pełni funkcjonalny, komórkowy zestaw rozwojowy z mnóstwem czujników i wtyków do podłączenia urządzeń zewnętrznych. Posiada on gniazdo na abonencką kartę SIM. (Źródło ilustracji: Nordic Semiconductor)

Zestaw rozwojowy nRF6943 jest dostarczany z akumulatorem litowo-polimerowym 1400 miliamperów (mAh), który jest ładowany przez dostępny port USB. Port USB jest również używany do podłączenia mikrokontrolera nRF6943 do komputera PC w celu rozwoju oprogramowania układowego, programowania i debugowania.

Zestaw rozwojowy nRF6943 Thingy:91 jest wyposażony w szereg wewnętrznych czujników, w tym przyspieszeniomierz małej mocy, przyspieszeniomierz dużych przeciążeń, czujnik światła i koloru oraz port pomiaru prądu. Czujnik środowiskowy wykrywa temperaturę, wilgotność, jakość powietrza i ciśnienie powietrza. Poszczególne wtyki portów umożliwiają podłączenie dodatkowych czujników zewnętrznych. Ponadto mikrokontroler nRF9160 steruje czterema tranzystorami MOSFET, które mogą być używane do sterowania małymi silnikami prądu stałego lub wysokoprądowymi diodami LED. Brzęczyk magnetyczny i trzy diody LED RGB zapewniają dźwiękową informację zwrotną i wizualną podczas prac rozwojowych. Istnieją również dwa przyciski, które można zaprogramować za pomocą oprogramowania układowego.

Połączenie z koncentratorem w centrali

Punkt końcowy IIoT nRF9160 może być umieszczony w dowolnym miejscu na świecie, w którym dostępna jest łączność LTE. Komórkowy punkt końcowy IIoT może przez bezprzewodową sieć komórkową operatora przesyłać dane z koncentratora centrali do routera komórkowego, takiego jak router LTE 4G Phoenix Contact 1010464 (ilustracja 3).

Ilustracja 3: router komórkowy Phoenix Contact 1010464 jest przemysłowym routerem LTE 4G ze zintegrowaną zaporą sieciową i obsługą wirtualnej sieci prywatnej (VPN). (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Router LTE 4G Phoenix Contact 1010464 jest przeznaczony do pracy w trudnych warunkach przemysłowych i łączy się z siecią komórkową AT&T USA. Z tyłu znajduje się gniazdo na abonencką kartę SIM. Router jest montowany na szynie DIN w celu wygodnej integracji z istniejącym systemem przy minimalnej konfiguracji sprzętowej. Lokalizacja routera musi umożliwiać odbiór czystego sygnału komórkowego. Zarówno oprogramowanie układowe punktu końcowego IIoT, jak i router komórkowy muszą być skonfigurowane z numerami telefonów każdej karty SIM, aby mogły komunikować się bezpiecznie i efektywnie. Router LTE posiada zaporę sieciową zapewniającą dodatkowe bezpieczeństwo i może w łatwy sposób odfiltrować nieautoryzowany dostęp LTE z nieautoryzowanych numerów telefonów, jak również podejrzane pliki pochodzące z autoryzowanych numerów. Obsługa VPN pozwala na bezpieczniejszą transmisję danych. Router komórkowy LTE posiada z przodu czteroportowy przełącznik i komunikuje się z siecią lokalną poprzez Ethernet.

Takie połączenie punktu końcowego IIoT o niskiej mocy i routera komórkowego LTE pozwala na łatwą komunikację między centralą a przemysłowym punktem końcowym, przy czym szybkość komunikacji jest ograniczona jedynie dostępną przepustowością sieci komórkowej.

Podsumowanie

Jak pokazano, sieci IIoT można łatwo rozszerzyć o punkty końcowe w dowolnym miejscu na świecie. Wykorzystanie mikrokontrolera o niskiej mocy z wbudowanym modemem komórkowym LTE pozwala zaoszczędzić czas i koszty projektowania, a po odpowiednim skonfigurowaniu może on przesyłać dane do routera komórkowego w centrali przez 24 godziny na dobę.