เครือข่ายเซ็นเซอร์ Internet of Things (IoT) ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเปลี่ยนเกมของระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม พลังงานทดแทน และระบบไฟส่องสว่างอัจฉริยะ โดยการปรับปรุงประสิทธิภาพด้วยข้อมูลแบบเรียลไทม์ และลดการหยุดทำงานผ่านการบำรุงรักษาแบบคาดการณ์ล่วงหน้า อย่างไรก็ตาม เนื่องจากระบบมีการติดตั้งโหนดเซ็นเซอร์ไร้สายมากขึ้นเรื่อยๆ นักออกแบบจะเผชิญกับความท้าทายในการขยายเครือข่าย Industrial Internet of Things (IIoT) เหล่านี้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงได้อย่างน่าเชื่อถือ ในขณะเดียวกันก็ลดต้นทุนการดำเนินงานและการดำเนินงาน จัดการกับความแออัดของเครือข่าย และรับประกันความปลอดภัย
เอกสารนี้จะให้ภาพรวมของปัญหาต่างๆ ที่นักออกแบบต้องเผชิญในการขยายเครือข่าย IIoT จากนั้นจึงเปิดตัวโมดูล Bluetooth พลังงานต่ำ (BLE) และชุดพัฒนาของ Digi เพื่อแสดงให้เห็นว่าผลิตภัณฑ์เหล่านี้สามารถแก้ไขปัญหาข้างต้นได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพได้อย่างไร
ความท้าทายในการขยายโครงสร้างพื้นฐาน IoT ไร้สาย
IIoT ครอบคลุมแอปพลิเคชันที่หลากหลายซึ่งการรับข้อมูลเป็นสิ่งสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพและความสามารถในการคาดการณ์ เซ็นเซอร์ไร้สายใช้ระบบแสงสว่างอัจฉริยะเพื่อรวบรวมข้อมูลแสงโดยรอบและอัตราการเข้าใช้งาน และปรับการใช้งานแบบเรียลไทม์เพื่อประหยัดการใช้พลังงานและค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้อง
ในทำนองเดียวกัน การประยุกต์ใช้พลังงานหมุนเวียนใช้เครือข่ายเซ็นเซอร์ IOT ระยะไกลเพื่อตรวจสอบแหล่งพลังงานต่างๆ เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม เครือข่ายเหล่านี้จะตรวจสอบสถานะและประสิทธิภาพของระบบ คาดการณ์ข้อผิดพลาด และควบคุมการจ่ายไฟของกริดแบบไดนามิก
เช่นเดียวกับพื้นที่อื่นๆ ที่ใช้เทคโนโลยีระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม การรวบรวมข้อมูลจากชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวเป็นกุญแจสำคัญในการดำเนินการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ มีการติดตั้งเซ็นเซอร์ไร้สายหลายร้อยตัวทั่วทั้งระบบอุตสาหกรรม โดยให้ข้อมูลข้อมูลที่ละเอียดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ ลดการบำรุงรักษา และลดต้นทุนการดำเนินงาน อย่างไรก็ตาม เมื่อขนาดของเครือข่ายเซ็นเซอร์ขยายใหญ่ขึ้น ก็อาจมีปัญหาที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน เช่น
การรบกวน: สภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมมักได้รับผลกระทบจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ในระดับสูงที่เกิดจากมอเตอร์ แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งโหมด และอุปกรณ์เชื่อมอาร์ก EMI นี้ทำให้อัตราการส่งข้อมูลลดลงเป็นระยะๆ ซึ่งอาจส่งผลกระทบร้ายแรงต่อการส่งข้อมูลอย่างมีประสิทธิภาพ
ความแออัดของเครือข่าย: การใช้งานอุปกรณ์ไร้สายหลายเครื่องในบริเวณใกล้เคียงอาจทำให้เครือข่ายอิ่มตัว ส่งผลให้มีเวลาแฝงมากขึ้นและขาดการเชื่อมต่อ ซึ่งอาจขัดขวางการตรวจจับแบบเรียลไทม์และเพิ่มการใช้พลังงาน
ความปลอดภัย: การโจมตีของแฮ็กเกอร์เป็นอันตรายต่อโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญ เช่น พลังงานหรือการขนส่ง ดังนั้นเครือข่ายเซ็นเซอร์จะต้องมีการรักษาความปลอดภัยที่แข็งแกร่ง อย่างไรก็ตาม เมื่อจำนวนอุปกรณ์ปลายทางเพิ่มขึ้น จำนวนช่องโหว่ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย
ความท้าทายอีกประการหนึ่งคือการรวมเซ็นเซอร์ไร้สายเข้ากับโปรโตคอลมาตรฐานทางอุตสาหกรรม การบูรณาการนี้อาจเกี่ยวข้องกับการฟอร์แมตใหม่และการบีบอัดข้อมูลเพื่อลดการรับส่งข้อมูลเครือข่าย อย่างไรก็ตาม กระบวนการเหล่านี้จำเป็นต้องดำเนินการบนอุปกรณ์ ต้นทุนและการใช้พลังงานจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อจำนวนเซ็นเซอร์และโปรโตคอลเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ จำนวนเซ็นเซอร์ในภาคสนามที่เพิ่มขึ้นยังนำไปสู่การบำรุงรักษาที่ซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากการบำรุงรักษาเซ็นเซอร์ที่คาดเดาไม่ได้ ไม่ว่าจะเป็นความล้มเหลวหรือเพียงการเปลี่ยนแบตเตอรี่
เทคโนโลยีบลูทูธใน IIoT ขนาดใหญ่
ในบรรดาโปรโตคอลไร้สาย IIoT จำนวนมาก Bluetooth เป็นโซลูชันที่มีประสิทธิภาพในการแก้ปัญหาต่างๆ เมื่อเครือข่ายเซ็นเซอร์ขยายตัว ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยี Bluetooth ช่วยเพิ่มภูมิคุ้มกันโดยใช้การใช้ความถี่แบบปรับเปลี่ยนได้ (AFH) AFH แบ่งข้อมูลออกเป็นแพ็กเก็ตขนาดเล็กและส่งผ่านหลายความถี่ จากนั้นจึงรวมใหม่อีกครั้งที่ปลายรับ แพ็กเก็ตที่สูญหายจะถูกส่งอีกครั้งหลังจากส่งรายงานการสูญหาย เพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือของการสื่อสาร และป้องกันการสูญเสียข้อมูลที่ยาวเนื่องจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า
เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้เครือข่ายหนาแน่นเกินไป เทคโนโลยี Bluetooth จึงสนับสนุนการควบคุมกำลังส่งที่สัมพันธ์กับเครื่องรับหลังจากสร้างการเชื่อมต่อแล้ว วิธีการนี้เมื่อรวมกับ AFH จะช่วยประหยัดพลังงานในขณะที่ลด EMI ให้เหลือน้อยที่สุด ทำให้อุปกรณ์ไร้สายหลายร้อยเครื่องสามารถทำงานในพื้นที่เดียวกันได้ นอกจากนี้ เทคโนโลยี Bluetooth ยังช่วยลดช่องโหว่ด้านความปลอดภัยโดยใช้การเข้ารหัสที่มีประสิทธิภาพและโปรโตคอลการตรวจสอบที่ยืดหยุ่น
ในการปรับใช้ IIoT เครือข่ายเซ็นเซอร์ Bluetooth ขนาดใหญ่จะสื่อสารผ่านเกตเวย์ที่ออกแบบมาเพื่อจับคู่กับอุปกรณ์หลายเครื่องเป็นหลัก ด้วยการสร้างโหนดเซ็นเซอร์รอบๆ บลูทูธ นักพัฒนาสามารถตระหนักถึงการทำงานร่วมกันอย่างราบรื่นกับสมาร์ทโฟนและแท็บเล็ต จึงทำให้การตั้งค่าและการวินิจฉัยง่ายขึ้น และปรับปรุงประสิทธิภาพการบำรุงรักษา
อย่างไรก็ตาม เพื่อให้เครือข่ายไร้สายปรับเข้ากับ IIoT เครือข่ายเซ็นเซอร์ Bluetooth จะต้องปรับให้เข้ากับสภาวะการใช้งานที่รุนแรงได้อย่างน่าเชื่อถือ ลดการใช้พลังงาน เพิ่มความคุ้มค่า และลดความซับซ้อนในการบำรุงรักษา
การสร้างเครือข่าย IIoT ด้วยโมดูล BLE เกรดอุตสาหกรรม
การใช้โมดูล XBee 3 BLU BLE 5.4 และชุดพัฒนาของ Digi ช่วยให้นักออกแบบสามารถติดตั้งเครือข่าย IIoT ไร้สายได้อย่างรวดเร็วและโดยตรง โมดูลนี้มีช่วงอุณหภูมิอุตสาหกรรมที่ - 40 ° C ถึง +85 ° C และใช้โหมดการทำงานที่ไม่ได้ใช้งานและอยู่เฉยๆ เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือและการใช้พลังงาน ปริมาณการใช้กระแสไฟของอุปกรณ์ XBee 3 BLU คือ 7.5 mA (mA) และ 8 ไมโครแอมแปร์ (µ A) ตามลำดับ ซึ่งสามารถรองรับการติดตั้งเซ็นเซอร์ระยะไกลในตำแหน่งที่ยากลำบากได้ในระยะยาว จึงสามารถรับข้อมูลอันมีค่าได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่เป็นระยะ
คุณสมบัติอื่น ๆ ได้แก่ :
อัตราการส่งข้อมูลสูงสุดคือ 2 เมกะบิตต่อวินาที (Mb/s) ซึ่งให้ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับการทำงานของเครื่องจักรที่ซับซ้อน
กำลังส่งสูงสุดคือ +8 dB มิลลิวัตต์ (dBm) ซึ่งสามารถรับรู้การสื่อสารที่มีความเที่ยงตรงสูงภายในระยะการมองเห็นโดยตรงที่ 15 เมตร (ม.) ในอาคาร หรือ 300 เมตรกลางแจ้ง
Digital I/O และอินพุต ADC 10 บิต 4 ช่องเพื่อการบูรณาการที่ยืดหยุ่นกับอินเทอร์เฟซอุปกรณ์และเซ็นเซอร์ต่างๆ
แหล่งจ่ายไฟ V ถึง 3.8 V, การเลือกพลังงานที่ยืดหยุ่น
Digi TrustFence Security สำหรับการป้องกันอุปกรณ์และเครือข่าย รวมถึงการบูตอย่างปลอดภัย พอร์ตฮาร์ดแวร์ที่ได้รับการป้องกัน และการตรวจสอบอุปกรณ์
ความสามารถในการตั้งโปรแกรมไมโครที่ล้ำสมัยเพื่อการพัฒนาที่รวดเร็วของการประมวลผลข้อมูลและระบบการตัดสินใจบนอุปกรณ์
ได้รับการควบคุมอย่างสมบูรณ์ในอเมริกาเหนือ (FCC, IC) และยุโรป (ETSI)