Bereitstellung einer sicheren und robusten drahtlosen Vernetzung für intelligente Energie- und Versorgungsunternehmen

Drahtlose Kommunikation, einschließlich lokaler und Cloud-Vernetzung, ist ein wesentliches Element in einer Reihe von intelligenten Energie- und Versorgungssystemen, darunter Energiezähler, kritische Infrastruktur, grüne Energiesysteme, Elektrofahrzeuge, Netzmodernisierung, das intelligente Stromnetz und intelligente Städte. Diese Anwendungen beinhalten häufig eine Vernetzung am Netzwerkrand (Edge) und erfordern eine vorhersehbare und sichere Kommunikation mit geringer Latenz, die mit IEEE 802.15.4, Zigbee, Bluetooth und anderen Protokollen unterstützt werden kann. In einigen Fällen können sie von einem stromsparenden Wireless-Protokoll mit hohem Durchsatz wie dem IEEE802.11g/n-Standard profitieren, der innerhalb von etwa 300 Metern im Freien einen Netzzugang mit hoher Datenrate ermöglicht.

Darüber hinaus müssen diese drahtlosen Geräte die Normen der Federal Communications Commission (FCC) in den USA, die Anforderungen des European Telecommunications Standards Institute (ETSI) sowie die Normen EN 300 328 und EN 62368-1 in Europa, Innovation, Wissenschaft und wirtschaftliche Entwicklung (ISED) in Kanada, das Ministry of Internal Affairs and Communications (MIC) in Japan und andere erfüllen. Die Entwicklung drahtloser Vernetzung und die Erlangung der erforderlichen Zertifizierungen können zeitaufwändig sein, was zu höheren Kosten und einer längeren Markteinführungszeit führt. Stattdessen können Entwickler auf vorgefertigte und zertifizierte drahtlose Kommunikationsmodule und Entwicklungsplattformen zurückgreifen, die sich leicht in intelligente Energie- und Versorgungsgeräte integrieren lassen.

In diesem Artikel werden zunächst verschiedene Kommunikationsoptionen und -architekturen für lokale Netzwerke und Cloud-Vernetzung vorgestellt, darunter kabelgebundene und drahtlose Netzwerkoptionen. Danach werden verschiedene drahtlos vernetzbare Plattformen von Digi, Silicon Labs, Laird Connectivity, Infineon und STMicroelectronics für den Einsatz sicherer und robuster drahtloser Vernetzung für intelligente Energie- und Versorgungssysteme, einschließlich Entwicklungsumgebungen zur Beschleunigung des Designprozesses vorgestellt.

Große Chancen und Herausforderungen

Große Herausforderungen gehen oft mit großen Chancen einher. Das ist mit Sicherheit der Fall, wenn es um den Einsatz intelligenter Energie- und Versorgungseinrichtungen in einer intelligenten Stadtinfrastruktur geht. Erstens muss die bestehende und veraltete Infrastruktur effektiv integriert werden. Hinzu kommt die Notwendigkeit, geografisch verstreute und technologisch heterogene Netze einzurichten, die effizient und robust sind. Und schließlich sollen diese Netze flexibel genug sein, um künftige technologische Entwicklungen wie das Aufkommen intelligenter und vernetzter Fahrzeuge zu bewältigen.

So können beispielsweise fortschrittliche automatische Verkehrsmanagementsysteme die Sicherheit erhöhen, den Energieverbrauch verbessern und die Umweltauswirkungen von Autos, Bussen und anderen Fahrzeugen verringern. In diesem Fall ist das zentrale Verkehrsmanagementsystem über Glasfaser und drahtlose Backhaul-Kommunikation mit hoher Bandbreite an das Netz angeschlossen. Weitere Systemelemente können sein (Abbildung 1):

• Ethernet- und Mobilfunk-Router, die IP-fähige Geräte auf lokaler Ebene unterstützen. In einigen Fällen wird Power-over-Ethernet (PoE) hinzugefügt, um den Netzwerknutzen zu erhöhen und die Kosten zu kontrollieren.
• Ältere Geräte können über spezielle Verbindungen und serielle Anschlüsse integriert werden.
• Lokale Wi-Fi- und Bluetooth-Geräte können die Verkehrsdichte und Fußgänger mit anonymisierten Daten überwachen. Die daraus resultierenden Daten können lokal analysiert und an das zentrale Verkehrsmanagementsystem zur Entscheidungsfindung und für übergeordnete Steuerungsfunktionen weitergeleitet werden.
• Eine Kombination aus Verkehrskameras, Sensoren wie Radar oder Lidar und anderen Datenquellen wird sowohl von lokalen ASTCs (Advanced Solid State Traffic Controllern) genutzt als auch an die zentrale Managementzentrale weitergeleitet, um den Verkehrsfluss in Echtzeit zu optimieren.

Abbildung 1: Das automatisierte Verkehrsmanagement in einer intelligenten Stadt (Smart City) reicht von der Wi-Fi-Erkennung von Fußgängern und Fahrzeugen über Verkehrskameras und ASTC-Steuergeräte bis hin zu einer zentralen Verkehrsmanagement- und -steuerungszentrale. (Bildquelle: Digi)

Die Gesamtenergieeffizienz, die öffentliche Sicherheit und die Verringerung der Umweltauswirkungen städtischer Straßen können durch den Einsatz dieser Systeme verbessert werden:

• Erkennung und Minimierung von Staus durch Änderung des Verkehrsflusses und der Signalsteuerung nahezu in Echtzeit mit einer Kombination aus lokaler und zentraler Steuerung.
• Anpassung der Signalzeiten zur Unterstützung eines effizienten und pünktlichen Betriebs von Bussen und anderen Formen des öffentlichen Nahverkehrs.
• Ersthelfer können in Echtzeit eine optimierte Routenplanung erhalten, um ihre Ankunft zu beschleunigen und die Auswirkungen auf die öffentliche Sicherheit insgesamt zu minimieren.

Intelligente Städte der Zukunft

Die intelligenten Städte von heute sind größtenteils noch in der Entwicklung begriffen. Es gibt zahlreiche Möglichkeiten für Verbesserungen und Weiterentwicklungen. Künftige intelligente Städte werden sich zunehmend auf integrierte Energieeffizienz und verbesserte Lebensqualität konzentrieren. Elektrofahrzeuge (E-Fahrzeuge) und intelligente oder autonome Fahrzeuge werden zur Norm werden. Sie werden in intelligente Wohnungen, intelligente Ladeinfrastrukturen, intelligente Liefersysteme und durchgängige Verkehrssysteme, einschließlich Züge, Stadtbahnen und Busse, sowie elektrische Robo-Taxis für die „letzte Meile“ integriert

Die Bürgerinnen und Bürger werden ihre Smartphones für immer mehr Zwecke nutzen, z. B. für den Kauf von Bus- und Bahntickets, was den Prozess beschleunigt und die Umweltauswirkungen des Verkehrs weiter verringert. Der öffentliche Verkehr wird zwar weiterhin der wichtigste Einsatzbereich von E-Fahrzeugen sein, aber nicht der einzige.

Nutzfahrzeuge wie Lastwagen, Busse, Lieferwagen und Baumaschinen verursachen laut Infineon etwa ein Viertel der CO₂-Emissionen in einer Stadt und etwa fünf Prozent der gesamten Treibhausgasemissionen. Es muss eine integrierte Ladeinfrastruktur entwickelt werden, um die größeren Batterien in diesen Nutzfahrzeugen zusätzlich zum Laden von Personenkraftwagen und E-Bikes unterzubringen. Die Ladeinfrastruktur muss miteinander vernetzt und zentral gesteuert werden, um die Ladegeschwindigkeit für die verschiedenen Fahrzeugtypen und ihre Einsatzzwecke zu maximieren.

Um die Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern, die Lebensqualität zu verbessern und Energie effizient zu nutzen, werden komplexe drahtlose Echtzeitnetze benötigt, die den Betrieb von verteilten erneuerbaren Energiequellen, Mikronetzen und Energiespeichern überwachen, die Energienutzung optimieren, die Wasser- und Abwassernutzung steuern und eine Vielzahl von Verkehrs- und anderen Systemen verwalten. Diese Echtzeitnetze müssen robust sein und minimale Latenzzeiten aufweisen (Abbildung 2). Zur Unterstützung der Smart-City-Infrastruktur benötigen die Entwickler Werkzeuge, die eine schnelle Entwicklung, Bereitstellung und Aktualisierung komplexer Kommunikationsnetze und angeschlossener Geräte ermöglichen.

Abbildung 2: Intelligente Stadtdienste werden auf robuste drahtlose Echtzeitnetze angewiesen sein, um verschiedene Anwendungen miteinander zu verbinden. (Bildquelle: Infineon)

Sichere Vernetzung mit Funkmodulen

Um sichere Netzwerke schnell zu implementieren, können die Wireless-Module XBee RR von Digi verwendet werden, die auf dem Wireless-SoC (System on Chip) EFR32MG21B020F1024IM32-BR von Silicon Labs basieren, das einen ARM-Cortex-M33-Kern für 80 MHz und ein integriertes Sicherheitssubsystem enthält. XBee-Module nutzen mehrere drahtlose Protokolle und Frequenzbänder wie Zigbee, 802.15.4 und DigiMesh sowie Bluetooth Low Energy (BLE), um eine breite Palette von Netzwerkarchitekturen zu unterstützen. DigiMesh ist ein Peer-to-Peer-Maschennetzwerkprotokoll, das die Komplexität der Verwendung von Zigbee für Punkt-zu-Multipunkt-Konfigurationen reduzieren kann. Diese Module unterstützen BLE und die Verbindung mit einem anderen BLE-Gerät.

Über Smartphone-Verbindungen lassen sich die Module mit der XBee-Mobilapp konfigurieren und programmieren. Darüber hinaus können Entwickler die XCTU-Konfigurationsplattform nutzen, die mit Windows, MacOS und Linux kompatibel ist. XCTU verwendet eine grafische Netzwerkansicht zur Vereinfachung der drahtlosen Netzwerkkonfiguration und ein API-Frame-Builder-Entwicklungstool zur schnellen Erstellung von XBee-API-Frames. Zu den weiteren Funktionen und Optionen der Module gehören:

• Moduloptionen beinhalten 13 Millimeter (mm) x 19 mm große Module für die Mikromontage wie das XBRR-24Z8UM, oberflächenmontierbare Module wie das XBRR-24Z8PS-J und Konfigurationen für die Durchkontaktierung wie das XBRR-24Z8ST-J (Abbildung 3)
• Die PRO-Version ist FCC-zertifiziert für den Einsatz in Nordamerika, und die Standardversion erfüllt die ETSI-Normen für den Einsatz in Europa
• Modulkonfigurationen für niedrige und hohe Leistungen
• Reichweite in Innenräumen/Städten bis zu 90 Meter (m) (300 Fuß), je nach Bedingungen
• Je nach Bedingungen beträgt die Reichweite bei direkter Sichtlinie im Freien bis zu 3200 m (2 Meilen)
• Integrierte IoT-Sicherheitsapp vereinfacht die Integration von Gerätesicherheit, Geräteidentität und Datenschutz

Abbildung 3: Zu den Moduloptionen für die XBee-Funkmodule von Digi gehören Mikromontage (links), Oberflächenmontage (Mitte) und Durchkontaktierung (rechts). (Bildquelle: DigiKey)

Intelligente Gateways

Die Module Sterling LWB+ von Laird Connectivity, wie das 453-00084R, sind leistungsstarke 2,4GHz-WLAN- und Bluetooth-Kombimodule, die für drahtlose IoT-Geräte und intelligente Gateways entwickelt wurden. Sie basieren auf dem Einzelchip-Funk-IC AIROC CYW43439 von Infineon und eignen sich mit einem Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +85°C für eine Reihe von Smart-Utility-, Smart-City- und Energieanwendungen. Die Module Sterling LWB+ verfügen über weltweite Zertifizierungen, einschließlich FCC, ISED, EU, MIC und AS/NZS.

Die Module Sterling LWB+ umfassen die Medienzugriffskontrolle (MAC), das Basisband und das Funkgerät sowie einen unabhängigen Highspeed-UART für Bluetooth-Schnittstellen. Laird Connectivity und Infineon unterstützen die neuesten Android- und Linux-Treiber. Die integrierte Chipantenne ist unempfindlich gegen Verstimmungen und vereinfacht das Systemdesign und die Herstellung. Die Serie Sterling LWB+ ist ein SIP (System in Package) und ist mit einem Trace-Pin, einer integrierten Chipantenne oder einem MHF4-Anschluss erhältlich. Sie umfassen darüber hinaus auch WPA/WPA2/WPA3-Verschlüsselung. Diese Module sind in vier Gehäuseformen erhältlich, um den Anforderungen unterschiedlicher Systemdesigns und Anwendungsanforderungen gerecht zu werden (Abbildung 4).

Abbildung 4: SIP-Basismodul Sterling LWB+ (links), Modul mit MHF-Anschluss (zweites von links), Modul mit integrierter Antenne (drittes von links) und Kartenrandanschluss (rechts). (Bildquelle: Laird Connectivity)

Das Sterling LWB+ verfügt über eine hochleistungsfähige, sichere digitale Ein- und Ausgabe (SDIO), die eine einfache Integration mit jedem Linux- oder Android-basierten System unterstützt. Um die Entwicklung von drahtlosen IoT-Geräten und intelligenten Gateways zu beschleunigen, kann das Entwicklungskit 453-00084-K1 verwendet werden, das das Modul 453-00084R mit einem integrierten MHF-Anschluss enthält (Abbildung 5).

Abbildung 5: Dieses Entwicklungsboard enthält das Sterling-LWB+-Modul 453-00084R von Laird mit integriertem MHF-Anschluss (Bildquelle: Laird Connectivity)

Drahtlose industrietaugliche Sensorknoten

Drahtlose Sensorknoten sind ein wichtiger Bestandteil der intelligenten Energie- und Versorgungssysteme in intelligenten Städten. STMicroelectronics bietet das SensorTile-Entwicklungskit und Referenzdesign STEVAL-STWINKT1B an, um Entwicklern zu helfen, die Komplexität des schnellen Designs, Prototypings und Testens von fortschrittlichen drahtlosen Sensorknoten zu bewältigen. Es umfasst die Erweiterungskarte X-NUCLEO-SAFEA1A, die die Authentifizierung von IoT-Geräten und die sichere Datenverwaltung unterstützt, ein Bluetooth-Transceivermodul BLUENRG-M2SA und ein MEMS-Mikrofon IMP23ABSUTR. Das MEMS-Mikrofon ist für die Verwendung mit dem integrierten Mikrocontroller mit extrem niedrigem Stromverbrauch für die Schwingungsanalyse von Bewegungsdaten mit 9 Freiheitsgraden (DoF) über einen breiten Bereich von Schwingungsfrequenzen von 35 Hz bis hin zu Ultraschall konzipiert. Außerdem enthält es einen Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop, einen Feuchtigkeitssensor, ein Magnetometer sowie Druck- und Temperatursensoren.

Das SensorTile-Entwicklungskit beinhaltet den Zugang zu einer Reihe von Softwarepaketen, Firmware-Bibliotheken und Cloud-Dashboard-Anwendungen, um die Entwicklung umfassender End-to-End-IoT-Sensorsysteme zu beschleunigen. Ein integriertes Modul bietet BLE-Vernetzung, der RS484-Transceiver unterstützt kabelgebundene Verbindungen, und die Erweiterungskarte STEVAL-STWINWFV1 bietet Wi-Fi-Vernetzung. Die Hauptplatine verfügt über einen STMod+-Anschluss, über den Tochterplatinen mit kleinem Formfaktor hinzugefügt werden können, die auf der STM32-Mikrocontrollerfamilie basieren. Schließlich besteht das Entwicklungskit aus einem 480mAh-Li-Polymer-Akku, einer Standalone-Debugging- und Programmiersonde STLINK-V3MINI und einer Kunststoffbox (Abbildung 6).

Abbildung 6: Das SensorTile-Entwicklungskit und Referenzdesign STEVAL-STWINKT1B enthält eine umfassende Reihe von Umweltsensoren und Unterstützung für verschiedene Vernetzungsoptionen. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Zusammenfassung

Um den Anforderungen intelligenter Energie- und Versorgungssysteme in intelligenten Städten gerecht zu werden, ist eine Reihe von Protokollen für die drahtlose Vernetzung erforderlich. Diese Systeme können die Energieeffizienz erhöhen, die öffentliche Sicherheit verbessern, eine effizientere Wasser- und Energienutzung unterstützen und die CO₂- und Treibhausgasemissionen reduzieren. Wie gezeigt, gibt es eine Vielzahl von Funkmodulen und Entwicklungsumgebungen für Wi-Fi-, Zigbee- und Bluetooth-Low-Energy-Funkprotokolle, die die sichere und robuste Vernetzung bieten können, die für intelligente Energie- und Versorgungseinrichtungen in Smart-City-Infrastrukturen benötigt wird.