כיצד לפרוס חיבוריות אלחוטית מאובטחת וחסונה עבור אנרגיה ותשתיות חכמות

תקשורת אלחוטית, כולל רשתות מקומיות וחיבוריות ענן, היא מרכיב חיוני במגוון מערכות אנרגיה ותשתיות חכמות, כולל מדי אנרגיה, תשתיות קריטיות, מערכות אנרגיה ירוקה, רכבים חשמליים, מודרניזציה של רשת החשמל, רשתות חשמל חכמות וערים חכמות. יישומים אלה כוללים לרוב חיבוריות קצה ודורשים זמן שיהוי (Latency‏) קצר, תקשורת ומאובטחת וניתנת-לחיזוי הנתמכת באמצעות IEEE 802.15.4, Zigbee, Bluetooth ופרוטוקולים אחרים. במקרים מסוימים הם יכולים להפיק תועלת מפרוטוקול אלחוט בהספק נמוך ותפוקה גבוהה כמו תקן IEEE 802.11 g/n‏, המספק גישה לרשת בקצב נתונים גבוה בטווח של כ-300 מטרים בחוץ.

בנוסף, התקני אלחוט אלה חייבים לעמוד בתקני נציבות התקשורת הפדרלית (FCC) בארה"ב, דרישות מכון התקנים האירופי לתקשורת (ETSI‏), EN 300 328‏ ו-EN 62368-1 באירופה, רשות החדשנות, מדע ופיתוח כלכלי (ISED) בקנדה, משרד הפנים והתקשורת (MIC) ביפן ואחרים. תכנון חיבוריות אלחוטית והשגת האישורים הדרושים יכולים להיות גוזלים זמן, וכתוצאה מכך להגדלת העלויות ולהארכת זמן היציאה לשוק. במקום זאת, המתכננים יכולים לפנות למודולי תקשורת אלחוטית ופלטפורמות פיתוח מהונדסים ומורשים-מראש, שניתן לשלב בקלות בתוך התקני אנרגיה ותשתיות חכמות.

מאמר זה מתחיל בסקירת מספר אפשרויות תקשורת וארכיטקטורות עבור רשתות מקומיות וחיבוריות ענן, כולל אפשרויות רשת קווית ואלחוטית. לאחר מכן הוא מציע מספר פלטפורמות אלחוט של Digi‏, Silicon Labs‏, Laird Connectivity‏, Infineon‏, ו-STMicroelectronics‏ לפריסה של חיבוריות אלחוטית חסונה ומאובטחת עבור אנרגיה ותשתיות חכמות, כולל סביבות פיתוח להאצת תהליך התכנון.

הזדמנויות ואתגרים גדולים

אתגרים גדולים מלווים לרוב בהזדמנויות גדולות. זה בהחלט המקרה בעת פריסת אנרגיה ושירותים חכמים בתשתית ערים חכמות. ראשית, יש צורך לשלב תשתיות קיימות ומתיישנות בצורה יעילה. לאחר מכן יש צורך לפרוס רשתות מפוזרות גיאוגרפית והטרוגניות מבחינת הטכנולוגיה שהן יעילות וחסונות. לבסוף, רשתות אלו אמורות לספק את הגמישות להתמודד עם פיתוחים טכנולוגיים עתידיים כמו הופעת כלי רכב חכמים ומחוברים.

לדוגמה, מערכות מתקדמות לניהול תנועה אוטומטי יכולות לשפר את הבטיחות, לשפר את השימוש באנרגיה ולהפחית את ההשפעה הסביבתית של מכוניות, אוטובוסים וכלי רכב אחרים. במקרה זה, מערכת ניהול תנועה מרכזית מחוברת לרשת באמצעות סיבים עם רוחב פס גבוה ותקשורת Backhaul אלחוטית. רכיבי מערכת אחרים עשויים לכלול (איור 1):

• נתבי Ethernet וסלולר התומכים בהתקנים מאופשרי-IP ברמה המקומית. במקרים מסוימים הספקת-כוח על-גבי Ethernet‏ (PoE) מתווספת כדי להרחיב את שירותי הרשת ולבקר את העלויות.
• ציוד מדורות קודמים ניתן לשלב באמצעות חיבורים ייעודיים ונקודות-חיבור טוריות.
• התקני Wi-Fi ו-Bluetooth מקומיים יכולים לנטר את צפיפות התנועה והולכי הרגל באמצעות נתונים באופן אנונימי. את הנתונים המתקבלים ניתן לנתח באופן מקומי ולשלוח למערכת ניהול התעבורה המרכזית לצורך קבלת החלטות ולפונקציות בקרה ברמה גבוהה יותר.
• שילוב של מצלמות תעבורה, חיישנים כמו RADAR או LiDAR‏ ומקורות נתונים אחרים משמשים על ידי בקרי תעבורה מצב-מוצק מתקדמים (ASTCs) מקומיים ומועברים למרכז הניהול הראשי לצורך אופטימיזציה בזמן-אמת של זרימות התנועה.

איור 1: ניהול תנועה אוטומטי בעיר חכמה כולל גילוי Wi-Fi של הולכי רגל וכלי רכב, מצלמות תנועה ובקרי ASTC‏ ועד לניהול תנועה ובקרת תנועה מרכזיים. (מקור התמונה: Digi)

את נצילות האנרגיה, בטיחות הציבור וההשפעות הסביבתיות המופחתות של כבישים עירוניים ניתן לשפר באמצעות:

• גילוי והקלת העומס על ידי שינוי זרימות התנועה ותזמון האיתות כמעט בזמן-אמת עם שילוב של בקרות מקומיות ומרכזיות.
• התאמת תזמון האותות כדי לתמוך בפעולה יעילה ובעמידה בלוחות הזמנים של אוטובוסים וצורות אחרות של תחבורה המונית.
• למגיבים הראשונים ניתן לספק ניתוב אופטימלי בזמן-אמת כדי לזרז את הגעתם ולמזער את ההשפעה הכוללת על בטיחות הציבור.

הערים החכמות של העתיד

הערים החכמות של היום הן עדיין בעיקר עבודה בתהליך. ישנן הרבה הזדמנויות לשיפורים והתקדמות. ערים חכמות עתידיות יתמקדו יותר ויותר ביעילות אנרגטית משולבת עם שיפור איכות החיים. רכבים חשמליים ורכבים חכמים או אוטונומיים יהפכו לנורמה. הם ישולבו בדיור חכם, תשתית טעינה חכמה, מערכות אספקה חכמות ומערכות תחבורה מקצה-לקצה, כולל רכבות, רכבת קלה ואוטובוסים, וכן מוניות רובוטיות חשמליות ל"נסיעות במייל האחרון".

התושבים ישתמשו בסמארטפונים עבור מגוון הולך וגדל של שימושים, לרבות רכישת כרטיסי אוטובוס ורכבת תוך זירוז התהליך והפחתה נוספת של ההשפעה הסביבתית של התחבורה. בעוד שתחבורה תמשיך להיות השימוש העיקרי ברכבים חשמליים, היא לא תהיה היחידה.

רכבים מסחריים כמו משאיות כבדות, אוטובוסים, משאיות קלות למשלוחים וציוד בנייה מהווים כרבע מפליטת ה-_2‏CO בעיר וכחמישה אחוזים מפליטות גזי החממה הכוללות (GHG‏), לפי Infineon‏. יהיה צורך לפתח תשתית טעינה משולבת כדי להתאים לסוללות הגדולות יותר ברכבים מסחריים אלה, בנוסף לטעינת רכבי נוסעים ואופניים חשמליים. תשתית הטעינה תצטרך להיות מחוברת ומבוקרת באופן מרכזי כדי למקסם את מהירות הטעינה עבור סוגי הרכב המגוונים ומקרי השימוש בהם.

כדי לתמוך בהשפעות סביבתיות מופחתות, בשיפורים באיכות החיים ובשימוש יעיל באנרגיה, יהיה צורך ברשתות אלחוטיות מורכבות בזמן-אמת המנטרות את פעולתם של מקורות אנרגיה מתחדשים מפוזרים, מיקרו-רשתות ואחסון אנרגיה, ממטבות את ניצול האנרגיה, מנהלות את השימוש במים בשפכים, ומנהלות מגוון רחב של מערכות תחבורה ואחרות. רשתות זמן-אמת אלו חייבות להיות חסונות ובעלות זמני שיהוי מינימליים (איור 2). כדי לתמוך בתשתית עיר חכמה, המתכננים זקוקים לכלים המאפשרים פיתוח, פריסה ועדכון מהירים של רשתות תקשורת מורכבות והתקנים מחוברים.

איור 2‏: שירותי עיר חכמה יסתמכו על רשתות אלחוטיות חסונות בזמן-אמת לחיבור יישומים מגוונים. (מקור התמונה: Infineon)

רשתות מאובטחות עם מודולי אלחוט

כדי לפרוס במהירות רשת מאובטחת, המתכננים יכולים לפנות למודולי אלחוט XBee RR של Digi המבוססים על מערכת האלחוט על שבב (SoC‏) EFR32MG21B020F1024IM32-BR‏ של Silicon Labs הכוללת ליבת ARM Cortex-M33‏ MHz‏ 80‏ ותת-מערכת אבטחה משולבת. מודולי XBee ממנפים מספר פרוטוקולי אלחוט ופסי תדר כמו Zigbee, 802.15.4 ו- DigiMesh, כמו גם Bluetooth Low Energy‏ (BLE) לתמיכה במגוון רחב של ארכיטקטורות רשת. ®DigiMesh הוא פרוטוקול רשתות מסוג Mesh‏ Peer-to-Peer המפחית את המורכבות של פרוטוקול ZigBee עבור תצורת נקודה-לנקודות-רבות. מודולים אלו תומכים ב-BLE ובחיבור להתקן BLE אחר.

ניתן להשתמש בחיבורי סמארטפון כדי להגדיר ולתכנת את המודולים באמצעות האפליקציה לניידים XBee. בנוסף, המפתחים יכולים להשתמש בפלטפורמת הגדרת התצורה XCTU התואמת ל-Windows, MacOS ו-Linux‏. XCTU משתמשת בתצוגת רשת גרפית כדי לפשט את הגדרת תצורת הרשת האלחוטית ובכלי פיתוח בונה חבילות (Frames‏) API לבנייה מהירה של חבילות API של XBee. מאפיינים ואפשרויות אחרים של המודולים כוללים:

• אפשרויות המארז כוללות התקני מיקרו-הרכבה 13 מילימטר (מ"מ) x‏ 19 מ"מ כמו XBRR-24Z8UM‏, מודולי הרכבה-משטחית כמו XBRR-24Z8PS-J‏, ותצורות חור-עובר כמו XBRR-24Z8ST-J‏ (איור 3)
• גרסת PRO היא מורשית FCC לשימוש בצפון אמריקה, והגרסה הסטנדרטית עומדת בתקני ETSI לשימוש באירופה
• תצורות מודול הספק-נמוך והספק-גבוה
• טווחי פנים/עירוני של עד 90 מטר (300 רגל), בהתאם לתנאים
• בהתאם לתנאים, טווח קו הראייה החיצוני הוא עד 3,200 מטר (2 מייל)
• אפליקציית אבטחה משולבת IoT מפשטת את האינטגרציה של אבטחת ההתקן, זהות ההתקן ופרטיות הנתונים

איור 3‏: אפשרויות המארז עבור מודולי אלחוט XBee של Digi כוללות מיקרו-הרכבה (שמאל), הרכבה-משטחית (מרכז) וחור-עובר (ימין). (מקור התמונה: DigiKey)

שערים (Gateways) חכמים

מודולי +Sterling LWB של Laird Connectivity, כמו ה-453-00084R הם מודולים משולבים של 2.4 GHz WLAN ו-Bluetooth בעלי ביצועים גבוהים המיועדים עבור התקני IoT לאלחוט ושערים חכמים. הם מבוססים על IC‏ רדיו שבב-יחיד CYW43439‏ AIROC‏ של Infineon שלו תחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏40‏- עד 85°C+ ההופך אותם למתאימים עבור מגוון של יישומי תשתיות ואנרגיה חכמים כמו גם עיר חכמה. למודולי +Sterling LWB‏ יש הרשאות כלל-עולמיות, כולל FCC, ISED, EU, MIC ו-AS/NZS.

מודולי +Sterling LWB כוללים בקרת גישת מדיה (MAC), פס-בסיס ורדיו, פלוס UART עצמאי במהירות גבוהה עבור ממשקי Bluetooth. Laird Connectivity ו-Infineon תומכים במנהלי ההתקנים העדכניים ביותר עבור Android ו-Linux. אנטנת השבב המשולבת חסינה מפני ביטול-כוונון ומפשטת את התכנון והייצור של המערכת. סדרת +Sterling LWB היא מערכת-בתוך-מארז (SIP) וזמינה עם פין פס-מוליך, אנטנת שבב משולבת או מחבר MHF4. היא כוללת גם הצפנת WPA/WPA2/WPA3. מודולים אלה זמינים בארבעה סגנונות מארז כדי לענות על הצרכים של תכני מערכות ודרישות יישומים מגוונים (איור 4).

איור 4: Sterling LWB+ SIP בסיסי (שמאל), מודול עם מחבר MHF (שני משמאל), מודול עם אנטנה משולבת (שלישי משמאל), ומחבר קצה כרטיס (ימין). (מקור התמונה: Laird Connectivity)

ה-+Sterling-LWB כולל כניסה ויציאה דיגיטליות מאובטחות (SDIO) עם ביצועים גבוהים התומכות בשילוב קל עם כל מערכת מבוססת Linux‏ או Android‏. כדי להאיץ את הפיתוח של התקני IoT אלחוטיים ושערים חכמים, המתכננים יכולים לפנות לערכת הפיתוח 453-00084-K1, הכוללת את מודול 453-00084R עם מחבר MHF משולב (איור 5).

איור 5‏: לוח פיתוח זה כולל את מודול +Sterling LWB‏ ‎453-00084R‏ של Laird‏ עם מחבר MHF‏ משולב (מקור התמונה: Laird Connectivity‏)

צומתי חיישנים אלחוטיים בדירוג תעשייתי

צומתי חיישנים אלחוטיים הם חלק חשוב מאנרגיה ותשתיות חכמות בערים חכמות. כדי לעזור למתכננים להתמודד עם המורכבות של תכנון, יצירת אב-טיפוס ובדיקה מהירים של צומתי חיישנים אלחוטיים מתקדמים, STMicroelectronics מציעה את ערכת הפיתוח SensorTile‏ STEVAL-STWINKT1B‏ ותכן ייחוס. הוא כולל לוח הרחבה X-NUCLEO-SAFEA1A התומך באימות התקני IoT וניהול נתונים מאובטח, מודול מקמ"ש Bluetooth‏ BLUENRG-M2SA‏ ומיקרופון MEMS‏ IMP23ABSUTR‏. מיקרופון ה-MEMS מתוכנן לשימוש עם המיקרו-בקר על-הלוח בהספק אולטרה-נמוך עבור ניתוח רעידות של נתוני חישת תנועה של 9 דרגות חופש (DoF) על פני מגוון רחב של תדרי רעידות מ-35 הרץ ועד אולטרה-סוני. הוא כולל גם מד תאוצה, ג'ירוסקופ, חיישן לחות, מגנומטר וחיישני לחץ וטמפרטורה.

ערכת הפיתוח SensorTile כוללת גישה למערך של חבילות תוכנה, ספריות קושחה ויישומי לוח מחוונים בענן כדי להאיץ את הפיתוח של מערכות חיישני IoT מקיפות מקצה-לקצה. מודול משולב מספק חיבוריות BLE, מקמ"ש RS484‏ תומך בחיבורים מחווטים, ולוח ההרחבה של ה פלאגין STEVAL-STWINWFV1‏ מציע חיבוריות Wi-Fi. הלוח הראשי כולל מחבר +STMod‏ להוספת לוחות-בת עם גורם צורה קטן המבוססים על משפחת המיקרו-בקרים STM32. לבסוף, ערכת הפיתוח כוללת סוללת Li-פולימר mAh‏ 480‏, בחון ניפוי-באגים ותכנות עצמאי STLINK-V3MINI‏ ותיבת פלסטיק (איור 6).

איור 6‏: ערכת פיתוח ותכן ייחוס STEVAL-STWINKT1B SensorTile כוללים חבילה מקיפה של חיישני סביבה ותמיכה עבור מספר אפשרויות חיבוריות. (מקור התמונה: STMicroelectronics)

סיכום

מגוון של פרוטוקולי חיבוריות אלחוטית נדרש כדי לתמוך בצרכים של מערכות אנרגיה ותשתיות חכמות בערים חכמות. מערכות אלו יכולות לשפר את היעילות האנרגטית, את בטיחות הציבור, לתמוך בשימוש יעיל יותר במים ובאנרגיה ולהפחית את פליטות _2‏CO‏ ו-GHG. כפי שהוצג, קיים מגוון של מודולי אלחוט וסביבות פיתוח עבור פרוטוקולי אלחוט אנרגיה נמוכה Wi-Fi, Zigbee ו-Bluetooth היכולים לספק את החיבוריות המאובטחת והחסונה הדרושה עבור אנרגיה ותשתיות חכמות בערים חכמות.