Sensornetzwerke für das Internet der Dinge (IoT) verändern nachweislich die Spielregeln für industrielle Automatisierung, erneuerbare Energien und intelligente Beleuchtungssysteme, indem sie die Effizienz mit Echtzeitdaten verbessern und Ausfallzeiten durch vorausschauende Wartung reduzieren. Da Systeme jedoch mit immer mehr drahtlosen Sensorknoten ausgestattet werden, stehen Entwickler vor der Herausforderung, diese Netzwerke des industriellen Internets der Dinge (IIoT) in rauen Umgebungen zuverlässig zu erweitern und dabei die Implementierungs- und Betriebskosten zu minimieren, Netzwerküberlastungen zu bekämpfen und die Sicherheit zu gewährleisten.
Dieses Papier bietet einen Überblick über die verschiedenen Probleme, mit denen Designer beim Ausbau von IIoT-Netzwerken konfrontiert sind. Anschließend werden das Low-Power-Bluetooth (BLE)-Modul und das Entwicklungskit von Digi vorgestellt, um zu veranschaulichen, wie diese Produkte die oben genannten Probleme schnell und effektiv lösen können.
Herausforderungen beim Ausbau der drahtlosen IoT-Infrastruktur
IIoT deckt ein breites Spektrum an Anwendungen ab, bei denen die Datenerfassung für die Verbesserung der Effizienz und Vorhersagbarkeit von entscheidender Bedeutung ist. Am Beispiel intelligenter Beleuchtung erfassen drahtlose Sensoren Umgebungslicht- und Auslastungsdaten und passen die Nutzung in Echtzeit an, um den Energieverbrauch und die damit verbundenen Kosten zu senken.
In ähnlicher Weise nutzen Anwendungen für erneuerbare Energien ein Remote-IOT-Sensornetzwerk, um verschiedene Energiequellen wie Solar- und Windenergie zu überwachen. Diese Netzwerke überwachen den Zustand und die Leistung des Systems, prognostizieren Fehler und regeln die Netzversorgung dynamisch.
Wie in anderen Bereichen, in denen industrielle Automatisierungstechnik zum Einsatz kommt, ist die Erfassung von Daten von beweglichen Teilen der Schlüssel zur Durchführung einer vorausschauenden Wartung. Hunderte von drahtlosen Sensoren sind im gesamten Industriesystem installiert und liefern feinkörnige Dateninformationen, um Prozesse zu optimieren, den Wartungsaufwand zu reduzieren und die Betriebskosten zu senken. Wenn jedoch die Größe des Sensornetzwerks zunimmt, kann es zu Problemen kommen, die sich auf die Leistung auswirken, z
Störung: Industrieumgebungen sind häufig von starken elektromagnetischen Störungen (EMI) betroffen, die von Motoren, Schaltnetzteilen und Lichtbogenschweißgeräten erzeugt werden. Diese EMI führt zu einer zeitweiligen Verringerung der Datenübertragungsrate, was die effektive Datenübertragung ernsthaft beeinträchtigen kann.
Überlastung des Netzwerks: Der Betrieb mehrerer drahtloser Geräte in unmittelbarer Nähe kann zu einer Netzwerksättigung führen, was zu größerer Latenz und Verbindungsausfällen führt, was die Echtzeiterkennung beeinträchtigen und den Stromverbrauch erhöhen kann.- g.
Sicherheit: Hackerangriffe stellen eine Gefahr für kritische Infrastrukturen wie Energie oder Logistik dar, daher müssen Sensornetzwerke über eine robuste Sicherheit verfügen. Mit zunehmender Anzahl an Endpunkten nimmt jedoch auch die Anzahl der Schwachstellen zu.
Eine weitere Herausforderung besteht darin, drahtlose Sensoren mit Standard-Industrieprotokollen zu integrieren. Diese Integration kann eine Neuformatierung und Komprimierung von Daten umfassen, um den Netzwerkverkehr zu reduzieren; Allerdings müssen diese Prozesse auf dem Gerät durchgeführt werden und Kosten und Stromverbrauch steigen mit zunehmender Anzahl von Sensoren und Protokollen rapide an. Darüber hinaus hat die zunehmende Anzahl von Sensoren im Feld zu einer immer komplexeren Wartung geführt, da die Wartung der Sensoren unvorhersehbar ist, unabhängig davon, ob es sich um einen Ausfall oder nur um einen Batteriewechsel handelt.
Bluetooth-Technologie im groß angelegten IIoT
Unter den vielen drahtlosen IIoT-Protokollen ist Bluetooth eine leistungsstarke Lösung zur Lösung einer Reihe von Problemen bei der Erweiterung des Sensornetzwerks. Beispielsweise verbessert die Bluetooth-Technologie durch den Einsatz von Adaptive Frequency Hopping (AFH) die Immunität. Das AFH teilt die Daten in kleine Pakete auf, überträgt sie über mehrere Frequenzen und setzt sie dann auf der Empfängerseite wieder zusammen. Alle verlorenen Pakete werden nach dem Senden eines Verlustberichts erneut übertragen, um die Kommunikationszuverlässigkeit sicherzustellen und den Verlust langer Informationen aufgrund elektromagnetischer Störungen zu verhindern.
Um eine Überlastung des Netzwerks zu vermeiden, unterstützt die Bluetooth-Technologie die Steuerung der Sendeleistung relativ zum Empfänger nach dem Verbindungsaufbau. In Kombination mit AFH trägt dieser Ansatz zu Energieeinsparungen bei und minimiert gleichzeitig elektromagnetische Störungen, sodass Hunderte von drahtlosen Geräten im selben Raum betrieben werden können. Darüber hinaus reduziert die Bluetooth-Technologie Sicherheitslücken durch den Einsatz leistungsstarker Verschlüsselung und robuster Verifizierungsprotokolle.
Bei IIoT-Bereitstellungen kommuniziert das groß angelegte Bluetooth-Sensornetzwerk hauptsächlich über Gateways, die für die Verbindung mit mehreren Geräten ausgelegt sind. Durch den Aufbau von Sensorknoten rund um Bluetooth können Entwickler eine nahtlose Interoperabilität mit Smartphones und Tablets realisieren, wodurch die Einrichtung und Diagnose vereinfacht und die Wartungseffizienz verbessert wird.
Damit sich drahtlose Netzwerke jedoch an das IIoT anpassen können, müssen sich Bluetooth-Sensornetzwerke auch zuverlässig an raue Einsatzbedingungen anpassen, den Stromverbrauch senken, die Kosteneffizienz steigern und die Wartung vereinfachen.
Aufbau von IIoT-Netzwerken mit BLE-BLE-Modulen in Industriequalität
Mit dem Modul und Entwicklungskit XBee 3 BLU BLE 5.4 von Digi können Designer schnell und direkt drahtlose IIoT-Netzwerke bereitstellen. Das Modul hat einen industriellen Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C und nutzt Leerlauf- und Ruhebetriebsmodi, um Zuverlässigkeits- und Stromverbrauchsanforderungen zu erfüllen. Der Stromverbrauch des XBee 3 BLU-Geräts beträgt 7,5 mA (mA) bzw. 8 Mikroampere (µ A), was die langfristige Installation von Fernsensoren an schwierigen Standorten unterstützen kann, sodass wertvolle Informationen ohne regelmäßigen Batteriewechsel erhalten werden können.
Weitere Funktionen sind:
Die maximale Datenübertragungsrate beträgt 2 Megabit pro Sekunde (Mb/s), was detaillierte Informationen über den Betrieb komplexer Maschinen liefert
Die maximale Sendeleistung beträgt +8 dB Milliwatt (dBm), wodurch eine High-Fidelity-Kommunikation innerhalb der direkten Sichtweite von 15 Metern (m) im Innenbereich oder 300 Metern im Freien realisiert werden kann
Digitale I/O und 4 10-Bit-ADC-Eingänge für flexible Integration mit verschiedenen Geräte- und Sensorschnittstellen
V bis 3,8 V Stromversorgung, flexible Stromauswahl
Digi TrustFence Security für Geräte- und Netzwerkschutz, einschließlich sicherem Booten, geschützten Hardware-Ports und Geräteüberprüfung
Modernste Mikroprogrammierbarkeit für die schnelle Entwicklung von Datenverarbeitungs- und Entscheidungssystemen auf dem Gerät
Vollständig reguliert in Nordamerika (FCC, IC) und Europa (ETSI)