Automazione industriale più efficiente con reti di sensori Bluetooth robuste e sicure

Le reti di sensori per l'Internet delle cose (IoT) si sono dimostrate un fattore di svolta per l'automazione industriale, le energie rinnovabili e i sistemi di illuminazione intelligenti, dato che sfruttano i dati in tempo reale per migliorare l'efficienza e ridurre i tempi di fermo grazie alla manutenzione predittiva. Tuttavia, più i sistemi vengono equipaggiati con un numero crescente di nodi sensore wireless, più i progettisti devono affrontare il problema di scalare in modo affidabile queste reti Industrial IoT (IIoT) in ambienti difficili, riducendo al minimo i costi di implementazione e operativi, affrontando il problema del sovraffollamento della rete e garantendo la sicurezza.

Questo articolo fornisce una panoramica dei problemi che i progettisti devono affrontare quando si tratta di scalare le reti IIoT, presenta i moduli Bluetooth Low Energy (BLE) e un kit di sviluppo di Digi e ne dimostra l'utilizzo per risolvere questi problemi in modo rapido ed efficiente.

Le sfide della scalabilità nell'infrastruttura IIoT wireless

L'IIoT copre un'ampia gamma di applicazioni in cui l'acquisizione dei dati è essenziale per migliorare l'efficienza e la prevedibilità. Nell'illuminazione intelligente, ad esempio, i sensori wireless raccolgono i dati relativi alla luce ambiente e alla presenza, adattando l'uso in tempo reale per risparmiare energia e relativi costi.

Allo stesso modo, le applicazioni per le energie rinnovabili utilizzano reti di sensori IoT su lunga distanza per monitorare varie fonti di energia, come quella solare ed eolica. Monitorano lo stato e le prestazioni del sistema, prevedendo i problemi e regolando dinamicamente l'alimentazione della rete.

Come in altri settori che utilizzano l'automazione industriale, i dati acquisiti dalle parti in movimento sono fondamentali per implementare la manutenzione predittiva. L'installazione di centinaia di sensori wireless in un sistema industriale fornisce informazioni granulari per ottimizzare i processi, ridurre gli sforzi di manutenzione e i costi di gestione. Tuttavia, quando le reti di sensori si ampliano, sorgono problemi che possono avere un impatto negativo sulle prestazioni, ad esempio:

• Interferenze: gli ambienti industriali sono spesso gravati da alti livelli di interferenze elettromagnetiche (EMI) generate da motori, alimentatori a commutazione e apparecchiature di saldatura ad arco. Le EMI possono causare intermittenza e velocità dati ridotte che impediscono una trasmissione efficiente dei dati.
• Sovraffollamento della rete: il funzionamento di più dispositivi wireless in prossimità può saturare le reti, con conseguente aumento della latenza e caduta delle connessioni che ostacolano il monitoraggio in tempo reale e aumentano il consumo energetico.
• Sicurezza: gli attacchi sono una preoccupazione significativa per le infrastrutture critiche, come quelle energetiche o logistiche, quindi le reti di sensori devono garantire una sicurezza solida. Tuttavia, con l'aumentare del numero di endpoint, aumentano anche le vulnerabilità.

Un'altra sfida è l'integrazione dei sensori wireless con i protocolli industriali standard. Questa integrazione può comportare la riformattazione e la compressione dei dati per ridurre il traffico di rete; tuttavia, questi processi richiedono l'elaborazione sul dispositivo, che può far lievitare i costi e la richiesta di potenza con l'aumentare del numero di sensori e protocolli. Inoltre, con un maggior numero di sensori sul campo, le attività di manutenzione diventano sempre più complesse, in quanto richiedono interventi imprevedibili, che siano per guasti o per la semplice sostituzione delle batterie.

Vantaggi del Bluetooth per l'IIoT su larga scala

Tra i numerosi protocolli wireless IIoT, il Bluetooth è una soluzione potente che risolve una serie di problemi legati all'espansione delle reti di sensori. Ad esempio, offre un'elevata immunità alle interferenze grazie all'utilizzo del salto di frequenza adattivo (AFH), che suddivide i dati in piccoli pacchetti da trasmettere su più frequenze, poi ricombinati sul lato ricevente. I pacchetti di dati persi vengono reinviati se segnalati come mancanti, garantendo comunicazioni affidabili e impedendo la perdita di messaggi lunghi causata dalle EMI.

Per evitare il sovraffollamento della rete, una volta stabilita la connessione Bluetooth supporta il controllo della potenza di trasmissione rispetto al ricevitore. Questo approccio, combinato con l'AFH, consente di risparmiare energia e di ridurre al minimo le EMI, permettendo a centinaia di dispositivi wireless di funzionare nello stesso spazio. Inoltre, il Bluetooth attenua le vulnerabilità della sicurezza grazie all'uso della crittografia forte e di protocolli di autenticazione resilienti.

Nelle implementazioni IIoT, le reti di sensori Bluetooth su larga scala comunicano principalmente attraverso gateway progettati per accoppiarsi con più dispositivi. Creando i nodi di sensori incentrati sul protocollo Bluetooth, gli sviluppatori possono fornire un'interoperabilità continuativa con smartphone e tablet, semplificando così le operazioni di configurazione e diagnostica per una maggiore efficienza di manutenzione.

Tuttavia, affinché una rete wireless sia adatta per l'IIoT, deve anche resistere in modo affidabile alle condizioni di impiego più difficili, essere a basso consumo, economica e di facile manutenzione.

Sfruttare i moduli BLE di grado industriale per le reti IIoT

I moduli XBee 3 BLU BLE 5.4 e il kit di sviluppo di Digi offrono ai progettisti un percorso rapido e semplice per l'implementazione di reti IIoT wireless. I moduli soddisfano i requisiti di affidabilità e potenza grazie a una combinazione di tolleranza alla temperatura di grado industriale, da -40 °C a +85 °C, e all'uso delle modalità operative a riposo e in sospensione. Con un assorbimento di corrente rispettivamente di 7,5 mA e 8 µA, i dispositivi XBee 3 BLU possono supportare l'installazione a lungo termine di sensori remoti in luoghi di difficile accesso, al fine di ottenere informazioni preziose senza la necessità di accedervi regolarmente per sostituire le batterie.

Altre caratteristiche chiave includono:

• 2 Mbps di velocità massima di trasmissione dati per ottenere informazioni dettagliate da macchinari complessi
• +8 dBm di potenza massima di trasmissione per comunicazioni ad alta fedeltà fino a 15 metri in interni o 300 metri in esterni con linea di vista diretta
• 13 I/O digitali e quattro ingressi di convertitore analogico/digitale (ADC) a 10 bit per un'integrazione flessibile con diverse apparecchiature e interfacce di sensori
• Alimentazione da 1,71 a 3,8 V per opzioni di alimentazione flessibili
• Digi TrustFence Security per la protezione dei dispositivi e della rete, compreso l'avvio sicuro, porte hardware protette e l'autenticazione dei dispositivi
• Programmabilità avanzata MicroPython per lo sviluppo rapido di sistemi di elaborazione dati e decisionali sul dispositivo
• Approvazioni normative complete per il Nord America (FCC, IC) e l'Europa (ETSI)

Esame delle opzioni del modulo XBee 3 BLU

Digi offre diversi modelli XBee 3 BLU per soddisfare le diverse esigenze di progettazione e i fattori di forma dei sensori. XB3-24B5UM-J (Figura 1) è una soluzione a montaggio superficiale dotata di un connettore U.FL per la connettività dell'antenna esterna. Modelli simili sono disponibili con opzioni di antenna in chip e piazzola RF.

Figura 1: XB3-24B5UM-J è una soluzione a profilo ribassato per comunicazioni BLE potenti in ambienti industriali. (Immagine per gentile concessione di Digi)

Con dimensioni di 13 × 19 × 2 mm, questo fattore di forma è adatto ai sensori a profilo ribassato destinati ad ambienti industriali altamente integrati, come gli impianti di illuminazione intelligenti. La saldatura diretta sulle schede a circuiti stampati può anche aumentare la durata e l'affidabilità dei sensori in ambienti difficili, come le catene di montaggio delle fabbriche.

In alternativa, il modello XB3-24B5PT-J (Figura 2) è una variante a foro passante del modulo XBee 3 BLU. Questo fattore di forma offre un'antenna stampata su scheda CS, con opzione U.FL.

Figura 2: XB3-24B5PT-J è un modulo a foro passante che può essere facilmente scambiato con moduli XBee alternativi che utilizzano protocolli wireless diversi per una maggiore flessibilità di progettazione. (Immagine per gentile concessione di Digi)

Nonostante l'ingombro maggiore di 24,38 × 27,61 mm, questo fattore di forma a foro passante è vantaggioso per gli sviluppatori che progettano sensori IoT per varie altre applicazioni. Installando le basette su una scheda di supporto comune, lo stesso progetto può servire diversi protocolli wireless scambiando questo modulo con un altro del più ampio ecosistema XBee. Ciò riduce gli sforzi di progettazione per gli sviluppatori e aggiunge flessibilità all'infrastruttura IIoT.

Semplificare lo sviluppo di sistemi IIoT basati su BLE con il kit di sviluppo XBee

Per accelerare la realizzazione di un progetto, i progettisti possono iniziare con il kit di sviluppo XK3-B5M-WBT XBee 3 BLU (Figura 3), dotato di una scheda di interfaccia XBIB e di periferiche chiave per supportare la prototipazione immediata di sensori wireless, tra cui:

• basetta di monitoraggio della corrente
• sensore di temperatura/umidità
• connettore Grove per sensori di terze parti
• pulsanti utente programmabili
• opzioni di alimentazione USB o a batteria

Figura 3: Il kit di sviluppo XK3-B5M-WBT è un punto di partenza ideale per la progettazione di reti di sensori IIoT basate su BLE. (Immagine per gentile concessione di Digi)

Il kit fornisce anche l'accesso a Digi XBee Studio. Questa applicazione gratuita e multi-piattaforma consente di accelerare il time-to-market grazie a un'ampia gamma di strumenti di sviluppo, tra cui uno stack software BLE 5.4 completo, oltre a documentazione ed esempi aggiuntivi. La semplice interfaccia grafica (GUI) (Figura 4) consente di configurare passo-passo e gestire più dispositivi XBee simultaneamente.

Figura 4: XBee Studio è un ambiente software completo progettato per accelerare lo sviluppo e i test dei nodi IIoT XBee. (Immagine per gentile concessione di Digi)

Oltre a XBee Studio, l'app mobile Digi XBee consente la configurazione locale e gli aggiornamenti firmware via etere (OTA) per la risoluzione pratica dei problemi riscontrati sul campo. Digi Mobile SDK supporta lo sviluppo di app per sistemi iOS e Android, in modo che gli sviluppatori possano semplificare le interazioni dell'utente finale con le reti di sensori basate su XBee, con una conseguente gestione più semplice ed efficiente dei dispositivi.

Conclusione

Quando si progettano reti di sensori IIoT su larga scala per l'acquisizione dei dati, gli sviluppatori possono imbattersi in molte sfide relative a interferenze, sicurezza, integrazione e manutenzione. I moduli XBee 3 BLU di Digi sono una soluzione BLE a basso consumo e di grado industriale che offre funzionalità di edge computing integrate per ottimizzare la gestione dei dati. Grazie alle flessibili opzioni di integrazione e alle risorse di sviluppo complete, i moduli costituiscono una piattaforma affidabile su cui realizzare e scalare sistemi avanzati di reti di sensori in modo rapido ed efficiente.