Fernüberwachung mit drahtlosen Sensoren unter Einsatz von Wi-Fi

Moderne Fabriken verfügen über immer komplexere digitale Systeme mit Verbindungen zwischen Geräten und Software von vielen verschiedenen Herstellern. Diese Komplexität hat zu einer Abkehr von proprietären Schnittstellen geführt und diese durch gemeinsame Standards wie Ethernet und Wi-Fi® ersetzt. Die Standardisierung der digitalen Kommunikation kann als Teil der vierten industriellen Revolution (Industry 4.0) angesehen werden, in der die Internet of Things (IoT)-Technologien die Verbindung verschiedener Geräte stark vereinfachen (Abbildung 1). Dieser Artikel gibt einen Überblick über die gebräuchlichsten Formen von Wi-Fi-basierten Sensornetzwerken und ihre typischen Anwendungen.

Abbildung 1: Wi-Fi-fähige Abtastung ist in industriellen Umgebungen zunehmend üblich.

Wi-Fi-Geschichte und Versionen

Wi-Fi ist ein drahtloses Netzwerkprotokoll, das auf IEEE 802.11 basiert, aber weiter standardisiert wurde, um die Interoperabilität von Geräten zu gewährleisten. Der Wi-Fi-Standard wird von der Wi-Fi® Alliance aufrechterhalten, und nur Produkte, die zertifiziert wurden, um diesem Standard zu entsprechen, dürfen das Warenzeichen tragen.

Der Standard 802.11 ist für Anwendungen in drahtlosen lokalen Netzwerken (LAN) gut etabliert. Sie wurde 1997 vom Institute of Electrical and Electronics Engineers' (IEEE) als 802.11-1997 veröffentlicht. Spätere größere Veröffentlichungen umfassen in chronologischer Reihenfolge 802.11b, 802.11a, 802.11g, 802.11n und 802.11ac. Obwohl IEEE 802.11 die technische Grundlage für Wi-Fi bildet, verfügte IEEE über keine Zertifizierung oder Tests, was zu Problemen mit der Interoperabilität bei frühen Geräten führte.

1999 wurde die Wi-Fi Alliance von einigen der ersten Unternehmen gegründet, die IEEE 802.11 einführten. Ziel dieser Allianz war die Verbesserung der Interoperabilität zwischen den Geräten, die die Mitgliedsunternehmen herstellten. Zu den Gründungsunternehmen gehörten 3Com und Nokia. Wi-Fi-Generationen entsprechen den Hauptversionen des Standards IEEE 802.11, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Wi-Fi-Standards im Laufe der Jahre.

Reichweite, Geschwindigkeit und Frequenz

Wi-Fi kann auf verschiedenen Frequenzen betrieben werden, und Geräte können oft so konfiguriert werden, dass sie unterschiedliche Frequenzen nutzen. Die gebräuchlichsten Frequenzen sind 2,4 GHz und 5 GHz.

Im Allgemeinen sorgen höhere Frequenzen für höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten. Höhere Frequenzen werden jedoch auch leichter abgeleitet, insbesondere beim Durchgang durch feste Objekte. Niedrigere Frequenzen bieten daher in der Regel eine größere Reichweite.

Wenn Wi-Fi im gleichen Frequenzbereich wie andere Geräte betrieben wird, ist es auch anfälliger für Störungen. Beispielsweise können bei 2,4 GHz Wi-Fi-Interferenzen bei Mikrowellenherden, schnurlosen Telefonen und Bluetooth-Geräten auftreten. Dies kann bedeuten, dass in bestimmten Umgebungen 5 GHz tatsächlich eine bessere Reichweite als 2,4 GHz ergeben kann. Wenn bei einer bestimmten Frequenz Probleme auftreten, kann es oft am einfachsten sein, einfach einen anderen Kanal oder sogar ein anderes Band auszuprobieren.

Frequenzbereiche sind Bänder, innerhalb derer bestimmte Kanäle definiert sind. Zum Beispiel ist 2,4 GHz in 14 Kanäle unterteilt. Kanal 1 liegt im Bereich von 2401 bis 2423 MHz, Kanal 2 im Bereich von 2406 bis 2428 MHz, usw. Im 5-GHz-Band stehen wesentlich mehr Kanäle zur Verfügung.

IEEE 802.11ah, bekannt als Wi-Fi HaLow oder erweiterter Bereich, arbeitet im unteren Frequenzband um 900 MHz, kombiniert mit schmalen 1 MHz HF-Kanälen. Diese schmalen, niederfrequenten Kanäle bedeuten in Kombination mit Protokolländerungen einen viel geringeren Stromverbrauch, sogar niedriger als Bluetooth Low Energy. Die Reichweite sollte etwa doppelt so groß sein wie die von 2,4 GHz - mehr als 40 Meter bei 150 kbps für einen einzelnen Stream oder über 80 Meter bei Verwendung eines komplexeren Dual-Stream-Chips. Obwohl die IEEE den 802.11ah-Standard bereits veröffentlicht hat, hat die Wi-Fi Alliance noch nicht mit der Zertifizierung von Geräten begonnen.

Am anderen Ende des Spektrums arbeitet IEEE 802.11ad, oder WiGig, in einem höheren Frequenzband um 60 GHz, um hohe Datenübertragungsraten von typischerweise etwa 7 Gbit/s zu ermöglichen.

Wi-Fi-Netzwerk-Topologie

Die Topologie eines Netzwerks ist die Grundstruktur der Verbindungen zwischen den Geräten (Abbildung 2). Beispielsweise ist in einer Sterntopologie ein Gerät ein Hub und alle anderen Geräte werden mit dem Hub verbunden. In einer vollständig verbundenen Topologie ist jedes Gerät mit jedem anderen Gerät verbunden. Eine Mesh-Topologie ist einer vollständig verbundenen Topologie insofern ähnlich, als dass die Verbindungen dezentralisiert sind, es jedoch nicht unbedingt Verbindungen zwischen jedem Gerätepaar geben muss. Sie kann auch als teilweise verbundene Mesh bezeichnet werden. In einer Bus-Topologie ist jedes Gerät mit einem Kabel, dem so genannten Bus, verbunden.

Abbildung 2: Netzwerktopologien gibt es viele, aber die meisten Wi-Fi-Netzwerke sind sternförmig oder vermascht. (Bildquelle: Design World)

Wi-Fi-Netzwerke sind in der Regel entweder sternförmig oder vermascht. Netztopologien sind robust und sicher, sie reduzieren den Stromverbrauch und verbessern die Reichweite, da die einzelnen Verbindungen kürzer sein können. Für große IoT-Netzwerke mit vielen leistungsschwachen Sensoren sind dies wichtige Vorteile. Aber auch Sternnetze können in dieser Hinsicht Vorteile bieten. In einem Startnetzwerk ist es möglich, dass einzelne Geräte intermittierend senden, und nur der Hub benötigt kontinuierlich Strom für das Wi-Fi-Signal.

Spezialisierte Wi-Fi-Implementierungen für die Industrie

Wie oben erwähnt, verwendet Wi-Fi HaLow eine niedrigere Frequenz, um eine größere Reichweite und einen geringeren Stromverbrauch zu erzielen. Dies kann bei kleinen batteriebetriebenen Geräten nützlich sein. Für Steuerungs- und Industrieautomatisierungsanwendungen, bei denen Echtzeitkommunikation erforderlich ist, hat Wi-Fi Schwierigkeiten, eine ausreichend schnelle, latenzarme und stabile Verbindung bereitzustellen. Obwohl es seit mindestens einem Jahrzehnt Interesse an Echtzeit-Wi-Fi gibt, ist diese Technologie noch nicht weit verbreitet. Die vielleicht erfolgreichste Implementierung von Echtzeit-Wi-Fi ist WIA-PA, ein chinesischer Industriestandard für drahtlose Kommunikation zur Prozessautomatisierung.

Die industrielle Nutzung von Wi-Fi ist eher für weniger anspruchsvolle Anwendungen wie Bewegungssensoren und Strichcode-Scanner typisch. Die Zustandsüberwachung von Maschinen wird immer üblicher. Bei rotierenden Maschinen werden Beschleunigungsaufnehmer zur Schwingungsüberwachung eingesetzt. Auch die Umweltüberwachung ist ein wichtiger Aspekt der Zustandsüberwachung, wobei häufig kleine Temperatur-, Druck-, Feuchtigkeits- und Gaskonzentrationssensoren eingesetzt werden.

Zustandsüberwachungssensoren werden in vielen verschiedenen Umgebungen eingesetzt. Dazu gehören die offensichtlichen Fabrik- und Lagermaschinen sowie hochwertige Nutzfahrzeuge wie Lastwagen, Erdbewegungsmaschinen und Flugzeuge. Auch in der Energieerzeugung, im Bergbau und bei Bohrungen ist die Zustandsüberwachung sehr gut etabliert und von entscheidender Bedeutung.

Die Überwachung von Verkehr, Luftverschmutzung und Wetter sind einige weitere Beispiele für Anwendungen, bei denen drahtlose Sensoren eingesetzt werden.

Konkurrierende Technologien

Wi-Fi ist nicht der einzige Standard, der die drahtlose Kommunikation zwischen Industriegeräten ermöglicht. Bei Anwendungen mit geringer Reichweite und geringem Stromverbrauch konkurriert Wi-Fi mit Bluetooth und Zigbee. Für Anwendungen mit großer Reichweite. Die wichtigsten Technologien, die mit Wi-Fi konkurrieren, sind die Mobilfunktechnologien - 3G, 4G und 5G.

Betrachten Sie nur ein Beispiel für eine Mikrocontroller-Einheit (MCU) mit niedrigem Stromverbrauch, die den Ingenieuren hilft, die Kommunikation über Bluetooth Low Energy (BLE) sowie Wi-Fi über ein XBee Wi-Fi-Modul einzurichten:

Bluetooth ist eine gut etablierte Kommunikationsform mit geringem Stromverbrauch. Zigbee ist eine neuere, auf IEEE 802.15.4 basierende Technologie, die noch kostengünstigere Hardware und Leistung als selbst Bluetooth verwenden soll. Obwohl Wi-Fi HaLow in diesem Bereich konkurrenzfähig sein soll, erreicht es nicht die ultra-niedrigen Kosten und die Leistung von Zigbee. Erschwerend kommt hinzu, dass 5G eine eigene stromsparende Technologie hat - Low-Power Wide-Area (LPWA).

Ergänzt werden viele dieser Niedrigenergie-Angebote durch die Möglichkeit, Energie zu ernten:

Fazit:

Viele Hersteller von Industriegeräten verwenden noch immer proprietäre industrielle Drahtlostechnologien. Dies erschwert zwar die Interoperabilität, bedeutet aber, dass sie verbesserte Sicherheit und Echtzeitkommunikation bieten können. Da sich Wi-Fi in diesen Bereichen immer weiter verbessert, können die Ingenieure damit rechnen, dass immer mehr Geräte diesen offenen Standard übernehmen werden. Auf der anderen Seite zeigt 5G ein großes Potenzial für drahtlose IIoT-Anwendungen. Die nächsten Jahre werden mehr Wettbewerb zwischen den neuesten Wi-Fi 6- und 5G-Standards bringen.