Implementare velocemente un endpoint cellulare Industrial IoT remoto mediante un microcontroller e un router LTE

Via via che le applicazioni per Internet delle cose (IoT) crescono, deve espandersi anche la portata delle reti associate. Mentre Wi-Fi, Bluetooth e Zigbee sono ottime opzioni per la connettività di rete wireless vicino o all'interno di una struttura industriale, alcune reti Industrial IoT (IIoT) richiedono il monitoraggio e il controllo a distanza dei sistemi che possono trovarsi molto lontano — spesso in luoghi difficili da raggiungere per i tecnici della manutenzione. In queste situazioni, la connettività di rete cellulare è la migliore soluzione wireless.

Questo articolo spiega la necessità del monitoraggio e del controllo a distanza dei dati via cellulare in alcune applicazioni IIoT a grandi distanze e descrive i vantaggi di un nodo IIoT remoto che deve risparmiare energia per una manutenzione minima o assente. Presenta quindi un microcontroller cellulare di Nordic Semiconductor che può trasmettere i dati su una rete LTE a un router cellulare montato su guida DIN di Phoenix Contact.

Connettività di rete IIoT estesa

Le reti IIoT tradizionali sono impostate in un unico punto, ad esempio un impianto produttivo, un magazzino automatizzato o un parco all'aperto. La connettività di rete all'hub può essere cablata, come avviene con Industrial Ethernet, oppure wireless come in Wi-Fi o Zigbee. Questo è facile da gestire da una posizione centrale in cui vi è un accesso immediato alla posizione degli endpoint sulla rete IIoT per la manutenzione o le riparazioni.

Con l'ampliamento dell'IIoT, lo sono anche i casi d'uso. Per una maggiore efficienza e un controllo immediato delle reti, i responsabili delle strutture devono monitorare e controllare attivamente i sistemi remoti con una latenza minima tra il sistema remoto e l'hub presso la sede centrale. I sistemi di trasporto come treni, metropolitane e autotrasporti interstatali possono trarre vantaggio dal monitoraggio di vari sensori sul motore, nonché del consumo di carburante e dell'energia, di velocità e distanza, del posizionamento GPS per monitorare la posizione e per stimare il tempo a destinazione. Questi dati sono inviati per l'analisi alla struttura principale o alla sede centrale. I dati possono essere utilizzati quasi immediatamente per risparmiare tempo e denaro migliorando l'efficienza e prevenendo guasti, il che riduce i costi e aumenta l'affidabilità.

I gasdotti usati in petrolchimica traggono vantaggio dalla rete IIoT monitorando il volume e la pressione nelle tubazioni, insieme a condizioni ambientali quali temperatura, valori barometrici e umidità. Il monitoraggio preciso della posizione GPS, insieme ai sensori di vibrazioni e giroscopio, può rilevare i movimenti sulle tubazioni causati da forze esterne come eventi sismici. In alcuni casi il flusso nella tubazione può essere limitato o interrotto a distanza in risposta a una situazione di emergenza rilevata, ad esempio un terremoto. L'apparecchiatura può eseguire l'autodiagnostica e i risultati sono inviati alla fabbrica per l'analisi. Dato che queste tubazioni possono trovarsi a diverse migliaia di km dalla sede centrale e in ambienti difficili, come il circolo polare artico, è importante che l'endpoint disponga di una rete di comunicazione totalmente affidabile.

Arriva in soccorso l'IoT cellulare

Per soddisfare queste esigenze, la connettività di rete IIoT si è estesa per inviare i dati su reti cellulari esistenti di tipo Long-Term Evolution (LTE). Ciò consente di posizionare un endpoint IIoT quasi ovunque sia disponibile la connettività LTE, purché sia possibile applicare e mantenere una fonte di alimentazione, con l'ulteriore vantaggio che il costo e lo sforzo di manutenzione della rete cellulare sono a carico dell'operatore cellulare. Poiché questi sistemi possono trovarsi in posizioni remote non monitorate e difficili da raggiungere, l'endpoint IIoT cellulare remoto deve essere affidabile e resistente agli attacchi di hacker o alle manomissioni fisiche.

Il primo passo verso un sistema embedded affidabile per IIoT sta nel creare un sistema semplice, con un uso minimo della potenza. Un sistema semplice riduce il numero di punti di avaria. La riduzione del consumo energetico migliora l'affidabilità poiché riduce il calore, il che prolunga la durata della maggior parte dei dispositivi a semiconduttore, oltre a migliorare la durata della batteria degli endpoint IIoT alimentati in tal modo.

Per soddisfare questi requisiti, Nordic Semiconductor ha introdotto il microcontroller IoT cellulare LTE nRF9160. nRF9160 semplifica lo sviluppo dell'endpoint IIoT cellulare incorporando un modem LTE su chip conforme ai più recenti standard per dati IoT cellulare e macchina-macchina (M2M) (Figura 1).

<Figura 1: Il microcontroller cellulare nRF9160 LTE di Nordic Semiconductor si basa sul core Arm® Cortex®-M33. Dispone di tutte le periferiche necessarie per realizzare un endpoint IoT cellulare, comprendente un modem LTE e un modulo GPS. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

nRF9160 di Nordic Semiconductor si basa su un core di processore Arm Cortex-M33 da 64 MHz, specificamente progettato per applicazioni IoT a bassa potenza. Cortex-M33 supporta le operazioni di moltiplicazione e accumulo a un ciclo (MAC) e offre istruzioni FPU (unità a virgola mobile (FPU) a precisione singola, una divisione hardware e operazioni SIMD (istruzione singola e dati multipli). Ciò è utile per elaborare rapidamente i dati del sensore come nei calcoli di fusione sensoriale. Il core Cortex-M33 è fortemente deterministico anche quando entra ed esce dalle modalità a bassa potenza, e supporta il funzionamento in tempo reale.

Il microcontroller nRF9160 ha 1 MB di flash su chip per il firmware dell'applicazione e 256 kB di RAM a bassa dispersione. Ha un sottosistema Arm TrustZone per operazioni crittografiche che includono la crittografia AES, un vero generatore di numeri casuali (TRNG) e la gestione sicura delle password. Ciò è utile per verificare le comunicazioni di dati crittografati e per rilevare eventuali manomissioni del firmware. Le interfacce seriali su chip standard includono porte SPI, I²C e UART per l'interfacciamento con sensori e attuatori esterni. Un convertitore analogico/digitale (ADC) nativo a 12 bit (14 bit con sovracampionamento) a otto canali è utile per la lettura dei sensori analogici.

nRF9160 ha anche un ricevitore GPS su chip ottimizzato per endpoint IoT a bassa potenza. Ciò è particolarmente utile per endpoint mobili, come TIR e treni. È inoltre utile per i sistemi che possono spostarsi involontariamente a causa di attività sismica o per rilevare movimenti intenzionali se l'endpoint è montato su un dispositivo mobile come un'apparecchiatura robotizzata. Il ricevitore GPS condivide il transceiver RF su chip con il modem LTE. Se sono attivi sia il modem LTE che il ricevitore GPS, il transceiver RF condiviso è multiplato nel tempo con il modulo GPS e il modem LTE, dove la priorità è data al modem LTE.

Il modem LTE su nRF9160 è costituito da un processore di controllo host con memoria flash e RAM dedicate, un processore in banda base, un transceiver RF con pin per antenna esterna da 50 Ω e un'interfaccia per scheda SIM. Per una maggiore affidabilità delle comunicazioni, il modem LTE ha funzioni proprie di diagnostica e rilevamento dei guasti. Il modem LTE supporta i protocolli di comunicazione dati M2M e IoT a bassa potenza, inclusi Cat-M1, Cat-NB1 e Cat-NB2.

Per scambiare i dati su una rete LTE, il modem LTE richiede una scheda SIM standard contenente la rete wireless, il numero di telefono e le informazioni sull'abbonato. Il processore host nRF9160 LTE ha un'interfaccia UICC (Universal Integrated Circuit Card) esterna, detta anche interfaccia per scheda SIM, per la connessione a qualsiasi scheda SIM attivata compatibile con gli standard di trasmissione dati LTE-M o Narrowband IoT (NB-IoT).

Ogni endpoint LTE nRF9160 richiederà l'acquisto di una scheda SIM con un piano dati appropriato da un operatore telefonico. Si possono acquistare una scheda SIM e un piano dati cellulare per dispositivi IoT connessi in rete da DigiKey. Sono disponibili piani con capacità di dati da 300 kB a 5 GB al mese.

nRF9160 può funzionare da 3,0 a 5,5 V, il che lo rende adatto all'uso con endpoint IIoT alimentati con una batteria al litio da 3,7 V. Si consiglia il funzionamento a 3,7 V poiché per la maggior parte le specifiche del dispositivo sono a una tensione di alimentazione di 3,7 V. La maggioranza dei domini di alimentazione per le periferiche e i moduli di processore nRF9160 sono configurabili e l'alimentazione può essere attivata e disattivata tramite il firmware. Ciò consente agli sviluppatori di ottimizzare l'assorbimento di corrente per soddisfare specifici requisiti dell'applicazione.

nRF9160 ha una modalità di risparmio energetico (PSM) che porta il core in modalità inattiva (gli stati del registro core sono conservati), spegne il modem LTE e la maggior parte delle periferiche. Per un endpoint IIoT che deve tener traccia del tempo, con RTC in PSM, nRF9160 assorbe solo 2,35 µA, un valore incredibilmente basso per un dispositivo alimentato a batteria.

Il modulo GPS assorbe 47 mA, che non è poco, durante il monitoraggio continuo. Tuttavia, è più pratico eseguire il GPS in PSM in quanto assorbe solo 12 mA aggiuntivi. Ciò sarebbe appropriato per treni o TIR che richiedono il monitoraggio continuo della posizione in tempo reale. Una modalità ancora più economica è la configurazione del GPS in modalità fissa impulsiva ogni due minuti, che richiede solo 1,3 mA. Questo comportamento è idoneo per i nodi fissi che devono rilevare solo i movimenti occasionali.

Quando comunica utilizzando un qualsiasi protocollo LTE-M, nRF9160 può trasmettere i dati a una velocità di 375 kbps. Il protocollo NB-IoT ha una velocità di trasmissione dati inferiore pari a 60 kbps. Queste basse velocità risparmiano energia mantenendo le comunicazioni affidabili tra l'endpoint e l'hub. Il modem LTE supporta anche Transport Layer Security (TLS) per comunicazioni sicure e crittografate che aiutano a prevenire attacchi informatici MITM (Man-in-the-Middle) o l'intercettazione non autorizzata dei dati trasmessi.

nRF9160 funziona a temperature da -40 a +85 °C, ed è pertanto adatto all'uso in ambienti a temperature molto basse e molto alte.

La radio LTE fornisce fino a 23 decibel di riferimento a 1 milliwatt (dBm/mW) di potenza in uscita all'antenna. È compatibile con IPv4 e la versione più recente IPv6, ed è quindi facilmente espandibile a nuovi indirizzi IP senza le limitazioni di IPv4. Il modem LTE supporta anche la messaggistica SMS. Ciò consente all'endpoint IIoT di inviare e ricevere dati di testo in modo simile a un cellulare, tranne per il fatto che anziché dire "ciao" la messaggistica consente di ricevere i dati del sensore e di inviare comandi operativi.

Lo sviluppo dell'endpoint LTE

Per supportare lo sviluppo di nRF9160, Nordic Semiconductor fornisce la scheda di sviluppo cellulare nRF6943 Nordic Thingy:91 (Figura 2). Questa scheda è confezionata come un kit in scatola dal color arancione vivo e può essere implementata rapidamente in pochi passi.

Figura 2: nRF6943 Thingy:91 di Nordic Semiconductor è un kit di sviluppo cellulare completo con una miriade di sensori e pin per il collegamento a dispositivi esterni. È dotata di una presa per la scheda SIM dell'abbonato. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

Il kit di sviluppo nRF6943 è fornito con una batteria ricaricabile al litio polimero di 1400 mAh, caricabile dalla porta USB disponibile. La porta USB è utilizzata anche per collegare nRF6943 a un PC per lo sviluppo, la programmazione e il debug del firmware.

Il kit di sviluppo nRF6943 Thingy:91 viene fornito con una serie di sensori integrati, tra cui un accelerometro a bassa potenza, un accelerometro ad alto G, un sensore di luce e colore e una porta di misurazione della corrente. Un sensore ambientale rileva temperatura, umidità, qualità dell'aria e pressione dell'aria. I pin delle porte disponibili servono per collegare sensori esterni aggiuntivi. Inoltre, nRF9160 aziona quattro MOSFET di potenza che possono essere utilizzati per pilotare piccoli motori c.c. o LED ad alta corrente. Un cicalino magnetico e tre LED RGB forniscono riscontro acustico e visivo durante lo sviluppo. Vi sono anche due pulsanti programmabili mediante il firmware dell'applicazione.

Connessione all'hub della sede centrale

Un endpoint IIoT nRF9160 può essere posizionato in qualsiasi parte del mondo in cui sia disponibile la connettività LTE. L'endpoint cellulare IIoT può trasmettere i dati attraverso la rete cellulare di un operatore wireless con l'hub della sede centrale a un router cellulare come il modello 1010464 per 4G LTE di Phoenix Contact (Figura 3).

Figura 3: Il router cellulare 1010464 di Phoenix Contact è un router LTE 4G industriale con firewall integrato e supporto di rete privata virtuale (VPN). (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Il router 1010464 4G LTE di Phoenix Contact è progettato per ambienti industriali difficili e si connette alla rete cellulare AT&T negli USA. Uno slot SIM sul retro accetta una scheda SIM dell'abbonato. Il router è montato su una guida DIN per la pratica integrazione in un sistema esistente con una configurazione minima. Il router deve essere posizionato in modo che possa ricevere un chiaro segnale cellulare. Sia il firmware dell'endpoint IIoT sia questo router cellulare devono essere configurati con i numeri di telefono di ciascuna SIM affinché possano comunicare in modo sicuro ed efficiente. Il router LTE ha un firewall per una maggiore sicurezza e può facilmente escludere l'accesso LTE non autorizzato da numeri di telefono non autorizzati, così come pacchetti sospetti provenienti da numeri autorizzati. Il supporto VPN promette comunicazioni dati più sicure. Il router cellulare LTE è munito di uno switch a quattro porte nella parte anteriore e comunica con la rete locale tramite Ethernet.

Questa combinazione di un endpoint IIoT a bassa potenza e un router cellulare LTE facilita le comunicazioni tra l'hub della sede centrale e l'endpoint industriale, dove la velocità di comunicazione è limitata solo dalla larghezza di banda disponibile della rete cellulare.

Conclusione

Come dimostrato, le reti IIoT possono essere facilmente espanse con l'inclusione di endpoint in qualsiasi parte del mondo. L'uso di un microcontroller a bassa potenza con un modem cellulare LTE integrato consente di risparmiare sui tempi e sui costi di progettazione e, una volta configurato correttamente, può trasmettere i dati a un router cellulare nell'hub della sede centrale 24 ore al giorno.