Jak nasadit bezpečné a robustní bezdrátové připojení pro inteligentní energetiku a veřejné služby

Bezdrátová komunikace, včetně místních sítí a cloudového připojení, je základním prvkem řady inteligentních energetických a veřejných systémů, včetně měřičů energie, kritické infrastruktury, ekologických energetických systémů, elektrických vozidel, modernizace sítí, inteligentních rozvodných sítí a inteligentních měst. Tyto aplikace často zahrnují konektivitu na okraji sítě a vyžadují nízkou latenci, předvídatelnou a bezpečnou komunikaci, kterou lze podporovat pomocí protokolů IEEE 802.15.4, Zigbee, Bluetooth a dalších. V některých případech mohou využívat bezdrátový protokol s nízkou spotřebou energie a vysokou propustností, jako je standard IEEE 802.11 g/n, který poskytuje přístup k síti s vysokou rychlostí přenosu dat v dosahu přibližně 300 metrů ve venkovním prostředí.

Kromě toho musí tato bezdrátová zařízení splňovat normy Federální komise pro spoje (FCC) v USA, požadavky Evropského ústavu pro telekomunikační normy (ETSI) a norem EN 300 328 a EN 62368-1 v Evropě, kanadského ministerstva pro inovace, vědu a hospodářský rozvoj (ISED), japonského ministerstva vnitra a spojů (MIC) a další požadavky. Navrhování bezdrátového připojení a získávání potřebných certifikací může být časově náročné, což vede ke zvýšení nákladů a prodloužení doby do uvedení na trh. Konstruktéři se místo toho mohou využívat předem připravené a certifikované moduly bezdrátové komunikace a vývojové platformy, které lze snadno integrovat do inteligentních energetických a komunálních zařízení.

Tento článek začíná přehledem několika komunikačních možností a architektur pro místní sítě a připojení ke cloudu, včetně možností kabelových a bezdrátových sítí. Poté nabízí několik bezdrátových platforem od společností Digi, Silicon Labs, Laird Connectivity, Infineon a STMicroelectronics pro nasazení bezpečné a robustní bezdrátové konektivity pro inteligentní energetiku a veřejné služby, včetně vývojových prostředí pro urychlení procesu návrhu.

Velké příležitosti a výzvy

Velké výzvy často provázejí velké příležitosti. To je jistě případ zavádění inteligentní energetiky a veřejných služeb v infrastruktuře inteligentních měst. Zaprvé je třeba efektivně integrovat stávající a stárnoucí infrastrukturu. Dále je potřeba nasadit geograficky rozptýlené a technologicky heterogenní sítě, které budou efektivní a robustní. A konečně se očekává, že tyto sítě poskytnou flexibilitu pro řešení budoucího technologického vývoje, jako je vznik inteligentních a propojených vozidel.

Pokročilé systémy automatizovaného řízení dopravy mohou například zvýšit bezpečnost, zlepšit spotřebu energie a snížit dopad automobilů, autobusů a dalších vozidel na životní prostředí. V tomto případě je centralizovaný systém řízení dopravy připojen k síti prostřednictvím optických vláken s vysokou šířkou pásma a bezdrátové páteřní komunikace. Další prvky systému mohou zahrnovat (obrázek 1):

• Ethernetové a mobilní směrovače, které podporují zařízení s podporou protokolu IP na místní úrovni. V některých případech se přidává napájení přes Ethernet (PoE), aby se rozšířila užitečnost sítě a snížily náklady.
• Starší zařízení lze integrovat prostřednictvím vyhrazených připojení a sériových portů.
• Místní zařízení Wi-Fi a Bluetooth mohou monitorovat hustotu provozu a chodce pomocí anonymizovaných dat. Výsledná data lze analyzovat lokálně a odesílat do centrálního systému řízení dopravy pro rozhodování a řídicí funkce vyšší úrovně.
• Kombinaci dopravních kamer, senzorů, jako je radar nebo lidar, a dalších datových zdrojů využívají jednak místní pokročilé polovodičové řídicí jednotky dopravy (ASTC), a jednak se přesunuly do centralizovaného řídicího střediska pro optimalizaci dopravních toků v reálném čase.

Obrázek 1: Automatizované řízení dopravy v inteligentním městě sahá od detekce chodců a vozidel pomocí Wi-Fi přes dopravní kamery a řídicí jednotky ASTC až po centralizované středisko řízení a kontroly dopravy. (Zdroj obrázku: Digi)

Celkovou energetickou účinnost, bezpečnost veřejnosti lze zvýšit a dopady městských silnic na životní prostředí snížit pomocí:

• detekce a minimalizace dopravních zácp úpravou dopravních toků a časování signalizace v téměř reálném čase pomocí kombinace místních a centralizovaných řídicích systémů,
• úpravy časování signalizace pro podporu efektivního a včasného provozu autobusů a dalších forem hromadné dopravy,
• záchranářům lze v reálném čase poskytnout optimalizované trasy, aby se urychlil jejich příjezd a minimalizoval celkový dopad na bezpečnost veřejnosti.

Inteligentní města budoucnosti

Dnešní inteligentní města jsou z velké části ještě ve vývoji. Existuje mnoho příležitostí ke zlepšení a pokroku. Budoucí inteligentní města se budou stále více zaměřovat na integrovanou energetickou účinnost a lepší kvalitu života. Elektromobily (e-vozidla) a inteligentní nebo autonomní vozidla se stanou normou. Budou integrovány do inteligentního bydlení, inteligentní nabíjecí infrastruktury, inteligentních doručovacích systémů a komplexních dopravních systémů, včetně vlaků, tramvají a autobusů a elektrických robotických taxíků pro cestování na krátkou vzdálenost.

Obyvatelé budou využívat chytré telefony pro stále širší spektrum použití, včetně nákupu jízdenek na autobusy a železnici, což tento proces urychlí a dále sníží vliv dopravy na životní prostředí. I když doprava bude i nadále hlavním využitím elektromobilů, není jediným.

Podle společnosti Infineon se užitková vozidla, jako jsou nákladní automobily, autobusy, nákladní a dodávkové vozy a stavební stroje, podílejí na emisích CO₂ ve městě asi čtvrtinou a na celkových emisích skleníkových plynů (GHG) asi pěti procenty. Kromě nabíjení osobních vozidel a elektrokol bude třeba vyvinout integrovanou nabíjecí infrastrukturu, která bude schopna pojmout i větší baterie těchto užitkových vozidel. Nabíjecí infrastruktura bude muset být propojená a centrálně řízená, aby se maximalizovala rychlost nabíjení pro různé typy vozidel a jejich dané použití.

Pro podporu snížení dopadů na životní prostředí a zlepšení kvality života a efektivního využívání energie budou zapotřebí komplexní bezdrátové sítě fungující v reálném čase, které budou monitorovat provoz rozptýlených obnovitelných zdrojů energie, mikrosítí a ukládání energie, optimalizovat využití energie, řídit spotřebu vody a využívání odpadních vod a spravovat širokou škálu dopravních a dalších systémů. Tyto sítě fungující v reálném čase musí být robustní a mít minimální latence (obrázek 2). Pro podporu infrastruktury inteligentních měst potřebují projektanti nástroje, které umožňují rychlý vývoj, nasazení a aktualizaci složitých komunikačních sítí a připojených zařízení.

Obrázek 2: Služby inteligentního města budou využívat robustní bezdrátové sítě fungující v reálném čase pro připojení různých aplikací. (Zdroj obrázku: Infineon)

Zabezpečené sítě pomocí bezdrátových modulů

Pro rychlé nasazení zabezpečené sítě mohou návrháři sáhnout po bezdrátových modulech XBee RR výrobce Digi, založených na bezdrátovém systému na čipu (System on Chip, SoC) EFR32MG21B020F1024IM32-BR od Silicon Labs, který obsahuje 80MHz jádro ARM Cortex-M33 a integrovaný bezpečnostní subsystém. Moduly XBee využívají několik bezdrátových protokolů a frekvenčních pásem, například Zigbee, 802.15.4 a DigiMesh, a dále Bluetooth Low Energy (BLE) na podporu široké škály síťových architektur. DigiMesh je síťový protokol typu peer-to-peer, který může snížit složitost používání Zigbee pro konfigurace typu point-to-multipoint. Tyto moduly podporují BLE a připojení k jinému zařízení s technologií BLE.

Připojení chytrého telefonu lze použít ke konfiguraci a programování modulů pomocí mobilní aplikace XBee. Kromě toho mohou vývojáři používat konfigurační platformu XCTU kompatibilní s operačními systémy Windows, MacOS a Linux. XCTU používá grafické zobrazení sítě ke zjednodušení konfigurace bezdrátové sítě a vývojový nástroj pro tvorbu rámců API pro rychlé vytváření rámců XBee API. Mezi další funkce a možnosti modulů patří:

• možnosti balení zahrnují zařízení o rozměrech 13 mm x 19 mm pro mikromontáž, např. XBRR-24Z8UM, moduly pro povrchovou montáž, např. XBRR-24Z8PS-J a konfigurace pro osazování plošných spojů, např. XBRR-24Z8ST-J (obrázek 3),
• verze PRO má certifikaci úřadu FCC pro použití v Severní Americe a standardní verze splňuje normy ETSI pro použití v Evropě,
• konfigurace modulů s nízkým a vysokým výkonem,
• dosah v interiérech / v zástavbě až 90 metrů (300 stop) v závislosti na podmínkách,
• v závislosti na podmínkách je vnější dosah do viditelné vzdálenosti až 3 200 m (2 míle),
• integrovaná aplikace zabezpečení IoT zjednodušuje integraci zabezpečení zařízení, identity zařízení a ochrany osobních údajů.

Obrázek 3: Možnosti balení bezdrátových modulů Digi XBee zahrnují mikromontáž (vlevo), povrchovou montáž (uprostřed) a osazování plošných spojů (vpravo). (Zdroj obrázku: DigiKey)

Inteligentní brány

Moduly Sterling LWB+ od společnosti Laird Connectivity, jako např. 453-00084R, jsou vysoce výkonné kombinované moduly WLAN a Bluetooth 2,4 GHz určené pro bezdrátová zařízení IoT a chytré brány. Jsou založeny na jednočipovém rádiovém integrovaném obvodu AIROC CYW43439 od společnosti Infineon a vyznačují se rozsahem provozních teplot od -40 °C do +85 °C, díky čemuž jsou vhodné pro řadu aplikací v oblasti inteligentních veřejných služeb a inteligentních měst a energetiky. Moduly Sterling LWB+ mají celosvětové certifikace, včetně FCC, ISED, EU, MIC a AS/NZS.

Moduly Sterling LWB+ obsahují řízení přístupu k médiím (MAC), základní pásmo a rádio a nezávislý vysokorychlostní UART pro rozhraní Bluetooth. Společnosti Laird Connectivity a Infineon podporují nejnovější ovladače pro systémy Android a Linux. Integrovaná čipová anténa je odolná proti rozladění a zjednodušuje návrh a výrobu systému. Řada Sterling LWB+ je k dispozici jako System-in-Package (SIP) a je k dispozici s trasovacím kolíkem, integrovanou čipovou anténou nebo konektorem MHF4. Tyto prvky také obsahují šifrování WPA/WPA2/WPA3. Tyto moduly jsou k dispozici ve čtyřech typech provedení, aby vyhovovaly potřebám různých návrhů systémů a požadavkům aplikací (obrázek 4).

Obrázek 4: Modul Basic Sterling LWB+ SIP (vlevo), modul s konektorem MHF (druhý zleva), modul s integrovanou anténou (třetí zleva) a konektor na okraj karty (vpravo). (Zdroj obrázku: Laird Connectivity)

Sterling-LWB+ obsahuje vysoce výkonný zabezpečený digitální vstup a výstup (SDIO), který podporuje snadnou integraci s jakýmkoli systémem založeným na Linuxu nebo Androidu. Pro urychlení vývoje bezdrátových zařízení IoT a chytrých bran mohou návrháři využít vývojovou sadu 453-00084-K1, která obsahuje modul 453-00084R s integrovaným konektorem MHF (obrázek 5).

Obrázek 5: Tato vývojová deska obsahuje modul 453-00084R Sterling LWB+ společnosti Laird s integrovaným konektorem MHF (zdroj obrázku: Laird Connectivity)

Průmyslové bezdrátové senzorové uzly

Bezdrátové senzorové uzly jsou důležitou součástí inteligentní energetiky a veřejných služeb v inteligentních městech. Společnost STMicroelectronics nabízí vývojovou sadu STEVAL-STWINKT1B SensorTile a referenční design, které pomáhají konstruktérům zvládat náročné úkoly rychlého návrhu, prototypování a testování pokročilých bezdrátových senzorových uzlů. Obsahuje rozšiřující desku X-NUCLEO-SAFEA1A podporující ověřování zařízení IoT a bezpečnou správu dat, modul Bluetooth transceiveru BLUENRG-M2SA a mikrofon MEMS IMP23ABSUTR. Mikrofon MEMS je určen k použití s vestavěným mikrokontrolérem s velmi nízkou spotřebou energie pro analýzu vibrací 9 stupňů volnosti (DoF) dat ze snímání pohybu v širokém rozsahu vibračních frekvencí od 35 Hz až po ultrazvuk. Dále obsahuje akcelerometr, gyroskop, snímač vlhkosti, magnetometr a snímače tlaku a teploty.

Vývojová sada SensorTile zahrnuje přístup k řadě softwarových balíčků, knihoven firmwaru a cloudových aplikací pro ovládací panel, které urychlují vývoj komplexních systémů snímačů IoT. Integrovaný modul poskytuje připojení BLE, transceiver RS484 podporuje kabelové připojení a rozšiřující deska STEVAL-STWINWFV1 nabízí připojení Wi-Fi. Hlavní deska obsahuje konektor STMod+ pro přidání dceřiných desek malých rozměrů založených na rodině mikrokontrolérů STM32. A konečně se vývojová sada též skládá z lithium-polymerové baterie s kapacitou 480 mAh, samostatné ladicí a programovací sondy STLINK-V3MINI a plastové krabičky (obrázek 6).

Obrázek 6: Vývojová sada STEVAL-STWINKT1B SensorTile a referenční design zahrnují komplexní sadu snímačů prostředí a podporu několika možností připojení (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

Shrnutí

Pro potřeby inteligentních energetických a komunálních systémů v inteligentních městech je zapotřebí celá řada protokolů bezdrátového připojení. Tyto systémy mohou zvýšit energetickou účinnost, zvýšit bezpečnost veřejnosti, podpořit efektivnější využívání vody a energie a snížit emise CO₂ a skleníkových plynů. Jak bylo ukázáno, existuje celá řada bezdrátových modulů a vývojových prostředí pro bezdrátové protokoly Wi-Fi, Zigbee a Bluetooth s nízkou spotřebou energie, které mohou zajistit bezpečnou a robustní konektivitu potřebnou pro inteligentní energetiku a veřejné služby v infrastrukturách inteligentních měst.