שפר את נצילות האוטומציה התעשייתית עם רשתות חיישני Bluetooth קשיחות ומאובטחות

רשתות חיישני אינטרנט של דברים (IoT‏) הוכיחו את עצמן‏ כמשנות-משחק עבור אוטומציה תעשייתית, אנרגיות מתחדשת ומערכות תאורה חכמה על ידי מינוף נתוני זמן-אמת כדי לקדם נצילות ולצמצם זמן דמימה באמצעות תחזוקה חזויה. עם זאת, ככל שהמערכות הופכות להיות מצוידות במספר רב יותר של צמתי חיישנים אלחוטיים, מתכננים מאותגרים להרחיב באופן אמין את רשתות ה-IoT התעשייתיות (IIoT) הללו בסביבות קשות תוך מזעור עלויות הטמעה ותפעול, טיפול בצפיפות רשת והבטחת אבטחה.

מאמר זה מספק סקירה כללית של הבעיות הניצבות בפני מתכננים בעת הרחבת קנה המידה של רשתות IIoT. אחר כך הוא מציג מודולי Bluetooth Low Energy‏ (BLE) וערכת פיתוח מבית Digi ומראה כיצד ניתן להשתמש בהם כדי לטפל בבעיות אלו במהירות וביעילות.

האתגרים של‏ הרחבת תשתית IIoT אלחוטית‏

IIoT‏ מכסה‏ מגוון רחב של יישומים בהם איסוף נתונים חיוני לשיפור יעילות ויכולת חיזוי. לדוגמה, בתאורה חכמה, חיישנים אלחוטיים אוספים נתוני אור סביבה ותפוסה, מתאימים צריכה בזמן אמת כדי לחסוך אנרגיה ועלויות נלוות שלה.

באופן דומה, יישומי אנרגיה מתחדשת משתמשים ברשתות חיישני IoT‏ למרחקים ארוכים כדי לנטר מקורות אנרגיה שונים, כמו שמש ורוח. הם מנטרים מצב מערכת וביצועים, חוזים בעיות ומתאימים דינמית את אספקת הרשת.

כמו בתחומים אחרים המשתמשים באוטומציה תעשייתית, נתונים שנאספו מחלקים נעים‏ מהווים מפתח למימוש תחזוקה חזויה. התקנת מאות חיישנים‏ אלחוטיים בכל מערכת תעשייתית מספקת תובנות נתונים פרטניות למיטוב תהליכים, מקטינות מאמצי תחזוקה ומנמיכות עלויות תפעול. אך ככל שרשתות חיישנים מתרחבות, מתעוררות בעיות שעלולות להשפיע לרעה על הביצועים, כגון:

• הפרעות: סביבות תעשייתיות עמוסות לעתים קרובות ברמות גבוהות של הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) הנגרמות על ידי מנועים, ספקי-כוח ממותגים, ומכשירי ריתוך קשת חשמלית. הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) אלו יכולות לגרום לקצבי נתונים מופחתים המונעים העברת נתונים יעילה.
• צפיפות רשת: הפעלת התקנים אלחוטיים מרובים בקרבה רבה יכולה לגרום לרוויית רשתות, וכתוצאה מכך שיהוי (Latency‏) גבוה יותר וניתוקים המעכבים ניטור זמן-אמת ומגדילים צריכת הספק.
• אבטחה: פריצה היא דאגה משמעותית עבור תשתיות קריטיות, כגון אנרגיה או לוגיסטיקה, כך שרשתות חיישנים חייבות לספק אבטחה איתנה. עם זאת, ככל שמספר נקודות הקצה גדל, כך גדלה הפגיעות.

אתגר אחר הוא אינטגרציה של חיישנים אלחוטיים עם פרוטוקולים תעשייתיים סטנדרטיים. אינטגרציה זו יכולה לכלול שינוי פורמט ודחיסה של נתונים כדי להפחית תעבורת רשת; עם זאת, תהליכים אלה דורשים עיבוד בהתקן, מה שיכול להסלים במהירות מבחינת עלות והספק מאחר ומספר החיישנים והפרוטוקולים גדל. נוסף לכך, עם יותר חיישנים בשטח, מאמצי תחזוקה הופכים להיות מורכבים יותר, מאחר והם דורשים שירות בלתי ניתן לחיזוי, בין אם בשל תקלות או פשוט בגלל החלפת סוללות.

יתרונות Bluetooth‏ עבור IIoT בקנה-מידה גדול‏

מבין הפרוטוקולים האלחוטיים הרבים של IIoT‏, Bluetooth‏ מציע פתרון‏ רב-עוצמה הנותן מענה למגוון בעיות ככל שרשתות החיישנים מתרחבות. לדוגמה, הוא‏ מעניק חסינות גבוהה להפרעות על ידי שימוש בדילוג תדרים אדפטיבי (adaptive frequency hopping‏ (AFH)). ה-AFH‏ מחלק את הנתונים למנות קטנות המשודרות במספר תדרים ומשולבות מחדש בקצה המקבל. כל מנת נתונים שהלכה לאיבוד נשלחת מחדש אם מדווחת חסרה, מה שמבטיח תקשורת אמינה ומונע אבדן של מסרים ארוכים בשל EMI.

כדי למנוע צפיפות ברשת, Bluetooth‏ תומך בבקרת הספק שידור ביחס למקלט לאחר הקמת קישור. גישה זו, משולבת עם AFH, מסייעת לשמר הספק תוך כדי מזעור EMI, מאפשרת למאות התקנים אלחוטיים לעבוד באותו חלל. נוסף לכך, Bluetooth‏ מפחית פגיעות אבטחה באמצעות השימוש בהצפנה חזקה ופרוטוקולים של אימות גמישים.

בפריסות IIoT‏, רשתות חיישני Bluetooth נרחבות מתקשרות בעיקר דרך שערים (Gateways‏) המתוכננים ליצור זוגות עם התקנים מרובים. על ידי בניית צמתי חיישנים סביב Bluetooth‏, מפתחים יכולים לספק יכולת פעולה הדדית חלקה עם טלפונים חכמים וטאבלטים, ובכך לייעל את עבודת ההתקנה והאבחון לשיפור יעילות תחזוקה.

עם זאת, עבור רשת‏ אלחוטית להתאים ל-IIoT‏, היא‏ חייבת גם לעמוד באופן אמין בתנאי פריסה קשים ולהיות בעלת הספק נמוך, קלה לתחזוקה ולעמוד במבחן עלות-תועלת.

מינוף מודולי BLE בדירוג תעשייתי עבור רשתות IIoT‏

המודולים וערכות הפיתוח XBee 3 BLU BLE 5.4 מבית Digi‏ מספקים למתכננים נתיב מהיר ופשוט לפריסת רשתות IIoT‏ אלחוטיות. המודולים עומדים בדרישות האמינות וההספק על ידי שילוב של טולרנס טמפרטורות בדירוג תעשייתי מ-C‏°‏40‏- עד ‎85°C+ והשימוש במצבי פעולה סרק ושינה.‏ עם‏ משיכת זרם של‏ 7.5 מילי-אמפר (mA) ו-8‏ מיקרו-אמפר (µA‏), בהתאמה, התקני XBee 3 BLU יכולים לתמוך בהתקנת חיישנים מרוחקים לטווח ארוך במקומות קשים לגישה, תוך אפשור תובנות יקרות-ערך ללא דרישה לגישה קבועה כדי להחליף סוללה.

מאפיינים חשובים אחרים כוללים:

• קצב נתונים מקסימלי של 2 מגה-ביט לשנייה (Mbits/s‏) עבור תובנות מפורטות ממכונות מורכבות
• 8+ דציבלים מיוחסים לאחד מילי-וואט (dBm‏) הספק שידור מקסימלי עבור תקשורת hi-fi בעד ‏15‏ מטר (m) פנים או 300‏ מטר חוץ עם קו ראיה‏ ישיר
• 13‏ כניסות/יציאות דיגיטליות וארבע כניסות‏ ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC)‏ bit‏-10 עבור אינטגרציה גמישה עם ציוד וממשקי חיישן שונים
• אספקת 1.71 עד 3.8 וולט עבור אפשרויות הספק גמישות
• Digi TrustFence Security עבור הגנת התקן ורשת, כולל אתחול (Boot‏) מאובטח, יציאות חומרה מוגנות ואימות התקן
• יכולת תכנות מתקדמת MicroPython עבור פיתוח מהיר של מערכות עיבוד נתונים וקבלת החלטות בהתקן
• אישורים רגולטוריים שלמים לצפון אמריקה (FCC,‏ IC) ואירופה (ETSI‏)

בחינת האפשרויות של מודול XBee 3 BLU

Digi‏ מציעה מספר דגמי XBee 3 BLU כדי להתאים לצרכי תכנון וגורמי צורה חיישן שונים. ה-XB3-24B5UM-J (איור 1‏) הוא פתרון‏ הרכבה-משטחית הכולל‏ מחבר U.FL עבור חיבור אנטנה חיצונית. קיימים דגמים דומים עם אפשרויות אנטנת שבב ופד RF.

איור 1‏: ה-XB3-24B5UM-J מציע פתרון פרופיל-נמוך עבור תקשורת BLE רבת-עוצמה בסביבות תעשייתיות. (מקור תמונה: Digi‏)

עם המידות 13‏ מ"מ ×‏ 19‏ מ"מ ×‏ 2‏ מ"מ (mm), גורם צורה זה מתאים היטב עבור חיישנים בעלי פרופיל נמוך המתוכננים עבור סביבות תעשייתיות משולבות ביותר, כגון גופי תאורה חכמה. הלחמה ישירה על לוחות מעגל מודפס (לוחות pc) יכולה גם להגדיל עמידות ואמינות חיישן בתנאי סביבה קשים, כגון פסי ייצור של מפעל.

לחלופין, ה-XB3-24B5PT-J (איור 2‏) הוא גרסת‏ חור-עובר של מודול‏ ה-XBee 3 BLU. גורם צורה זה כולל אנטנת מעקב לוח מעגל מודפס עם אפשרות U.FL.

איור 2‏: ה-XB3-24B5PT-J‏ הוא מודול‏ לחור-עובר שניתן‏ להחלפה בקלות במודולי XBee חלופיים המשרתים פרוטוקולים אלחוטיים שונים, עבור גמישות תכנון גדולה יותר. (מקור תמונה: Digi‏)

למרות חתימת השטח הגדולה יותר שלו של 24.38 מ"מ ×‏ 27.61 מ"מ, גורם צורה זה לחור-עובר מציע יתרון למפתחים המתכננים חיישני IoT‏ עבור יישומים שונים אחרים. על ידי התקנת פסי-פינים על לוח נשא פשוט, אותו תכן חיישן יכול לשרת פרוטוקולים אלחוטיים שונים על ידי החלפת מודול זה באחר מהמערכת האקולוגית הרחבה יותר של XBee. הדבר מקטין מאמצי תכנון של מפתחים ומוסיף גמישות לתשתית IIoT‏.

פשט פיתוח מערכת IIoT מבוססת BLE עם ערכת הפיתוח XBee

כדי להאיץ בניית‏ פרויקט, מתכננים יכולים להתחיל עם ערכת הפיתוח XK3-B5M-WBT XBee 3 BLU (איור 3‏). היא כוללת לוח ממשק XBIB ואלמנטים היקפיים חשובים לתמיכה בבנייה ובחינה מיידית של אב-טיפוס של חיישן אלחוטי, כולל:

• פס-פינים לניטור זרם
• חיישן טמפרטורה/לחות
• מחבר Grove עבור חיישני צד שלישי
• כפתורי משתמש ניתנים-לתכנות
• USB‏ או אפשרויות הספקת-כוח סוללה

איור 3‏: ערכת הפיתוח XK3-B5M-WBT מספקת נקודת התחלה אידיאלית לתכנון רשתות חיישן IIoT‏ מבוססות BLE. (מקור תמונה: Digi‏)

הערכה גם מספקת גישה ל-Digi XBee Studio. יישום מרובה-פלטפורמות חינמי זה מאפשר זמן הגעה לשוק מהיר יותר באמצעות מגוון רחב של‏ כלי פיתוח, כולל‏ מחסנית תוכנה שלמה BLE 5.4, כמו גם תיעוד נוסף ודוגמאות. ממשק המשתמש הגרפי (GUI) הפשוט (איור 4‏) מספק אמצעי נוח להגדרת תצורה צעד-אחר-צעד וניהול של‏ התקני XBee מרובים בו-זמנית.

איור 4‏: XBee Studio‏ הוא סביבת תוכנה מקיפה המתוכננת להאיץ את הפיתוח והבדיקה של צמתי XBee IIoT. (מקור תמונה: Digi‏)

לצד XBee Studio, האפליקציה לנייד Digi XBee‏ מאפשרת הגדרת תצורה מקומית ועדכוני קושחה דרך-האוויר (OTA‏) לפתרון בעיות מעשי בשטח. ה-Digi Mobile SDK תומך בפיתוח אפליקציה עבור מערכות iOS ו-Android‏, נותן אפשרות למפתחים לייעל את אינטראקציות של משתמשי קצה עם רשתות חיישנים מבוססות XBee, וכתוצאה מכך ניהול התקנים קל ויעיל יותר.

סיכום

כשמתכננים רשתות חיישנים IIoT‏ בקנה-מידה גדול עבור איסוף נתונים, מפתחים יכולים להיתקל באתגרים רבים הקשורים להפרעות, אבטחה, אינטגרציה ותחזוקה. מודולי ה-Digi XBee 3 BLU מספקים פתרון BLE‏ בדירוג תעשייתי המציע יכולות מחשוב קצה מובנות כדי ליעל ניהול נתונים. עם אפשרויות אינטגרציה גמישות ומשאבי פיתוח באפיון מלא, המודולים מהווים פלטפורמה אמינה שעליה ניתן לבנות ולהרחיב מערכות רשתות חיישנים מתקדמות במהירות וביעילות.