Metody komunikacji na potrzeby optymalizacji zużycia energii wykorzystywane w zastosowaniach przemysłowych

Przy wyborze metody komunikacji dla urządzeń przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT) w aplikacjach przemysłowych należy uwzględnić kilka czynników: maksymalną przepustowość, zasięg, dostępność w strefie wdrożenia oraz zużycie energii. Technologie komunikacyjne inteligentnego wytwórstwa zostały omówione w sekcji 3 publikacji „Inteligentne rozwiązania na potrzeby efektywności energetycznej” (kliknij tutaj, aby uzyskać więcej informacji). W tym artykule omówiono główne protokoły komunikacyjne oraz ich wpływ na zużycie energii.

Aplikacje IIoT zawierają grupy czujników, które są połączone z węzłami czujników. Czas transmisji jest określony przez odległość między dwoma węzłami, szybkość transmisji danych oraz rozmiar wiadomości, wszystkie te parametry mają wpływ na optymalizację energii. Rzeczywiście, im wyższa prędkość transmisji danych, tym mniejsza ilość czasu potrzebna do odebrania/przesłania danych, co skutkuje zmniejszeniem zużycia energii. Węzły czujnikowe są zazwyczaj urządzeniami zasilanymi bateriami, na których żywotność wpływa — poza technologią baterii, projektem i jakością wykonania — kilka czynników.

Przyjęcie rozwiązania łączności bezprzewodowej zapewniłoby niezwykle niskie zużycie energii przez urządzenia przy jednoczesnym zachowaniu zdolności do szybkiego przesyłania ogromnych ilości danych na różne odległości, przy czym wszystko to miałoby pozostać ekonomicznie opłacalne.

Technologie komunikacji bezprzewodowej wykorzystywane w zastosowaniach przemysłowych:

Jak pokazano na poniższej ilustracji zakres sieci bezprzewodowej dla zastosowań przemysłowych jest powszechnie klasyfikowany w trzech kategoriach: bezprzewodowe sieci osobiste (WPAN), bezprzewodowe sieci lokalne (WLAN) oraz bezprzewodowe sieci rozległe (WWAN).

Rysunek 1: Technologie łączności bezprzewodowej

Sieci WPAN ma zwykle zasięg około 100 m. Urządzenia te, takie jak BLE, ZigBee, NFC, czy połączenie Thread, często mają niską energię transmisji radiowej i są zasilane przez małe baterie. Przez większość czasu urządzenia te znajdują się w trybie uśpienia. W momencie wystąpienia zdarzenia, urządzenie budzi się i wysyła krótką wiadomość do bramki, komputera lub smartfona. Typowy moduł BLE ma maksymalny/szczytowy pobór mocy o wartości nieprzekraczającej 39 mA, podczas gdy średni pobór mocy wynosi około 9 μA. Aktywne zużycie energii sięga jednej dziesiątej wartości energii zużywanej przez konwencjonalną technologię Bluetooth. W zastosowaniach o niskim cyklu pracy, bateria monetowa może zapewnić 5–10 lat niezawodnej pracy.

Sieci WLAN zwykle obejmują zasięg do 1000 m. Wi-Fi jest najbardziej rozpowszechnionym standardem. 802.11 ax jest jedną z najnowszych generacji standardów Wi-Fi, która jest także określana mianem Wi-Fi 6. Wi-Fi 6 oferuje wyższe prędkości i przepustowość danych (do 9,6 Gb/s) i działa zarówno w widmie 2,4 GHz, jak i 5 GHz. Wi-Fi 6 wprowadza również nową technologię optymalizującą wymagania dotyczące zasilania od strony klienta. Docelowy czas budzenia (ang. Target Wake Time — TWT) zmniejsza zużycie energii, pozwalając punktowi dostępowemu i klientowi negocjować dokładny czas wybudzenia odbiornika, aby odebrać transmisję nadawcy.

Sieci WWAN mają zwykle zasięg do 100 km. Technologia komórkowa (2G, 3G i 4G) jest wykorzystywana do zdalnej łączności urządzeń na duże odległości. Obecnie wdrażana technologia 5G zapewnia ogromną przepustowość i wyjątkowo niskie opóźnienia, co może sprzyjać jej zaakceptowaniu. Łączność komórkowa historycznie koncentrowała się na zasięgu i przepustowości kosztem zużycia energii. Duża ilość danych generowanych przez urządzenia była trudna do szybkiego przetworzenia, a ilość czasu między wysłaniem danych z podłączonego urządzenia a ich powrotem do tego samego urządzenia (czyli opóźnienie) była duża. Jednak nowe technologie komórkowe, takie jak 5G, przesyłają dane około 10 razy szybciej niż 4G, zapewniając ultra małe opóźnienia i mniejsze zużycie energii.

Technologia sieci rozległej niskiej mocy (ang. Low Power Wide Area Network — LPWAN) jest dobrze dopasowana do specyficznych potrzeb komunikacji maszyna–maszyna (M2M) i urządzeń IoT. Technologia ta oferuje niską moc, duży zasięg (do 10–50 km w strefach wiejskich i 1–10 km w strefach miejskich). Sieć działa zarówno w paśmie licencjonowanym (NB-IoT i LTE-M), jak i nielicencjonowanym (Sigfox i LoRa).

Pasmo LTE-M jest zoptymalizowane pod kątem większej przepustowości i połączeń mobilnych. Jest ono zredukowane o 1,4 MHz zarówno w łączu uplink, jak i downlink, ma zmniejszoną maksymalną moc transmisji 20 dBm, poprawę zasięgu LTE odpowiadającą 15 dB dla FDD (Frequency Division Duplex) oraz usprawnia cykl LTE DRX, aby umożliwić dłuższe okresy nieaktywności i w konsekwencji optymalizację żywotność baterii. NB-IoT oferuje połączenia danych o niższej przepustowości, przy czym przepustowość urządzenia wynosi 200 kHz zarówno przy przesyłaniu, jak i pobieraniu. Zapewnia również poprawę zasięgu LTE o 20 dB.

Zarówno Sigfox, jak i LoRa są asynchronicznymi protokołami komunikacyjnymi. Urządzenia końcowe Sigfox i LoRa pozostają w trybie uśpienia przez większość czasu poza okresem pracy, co zmniejsza ilość zużywanej energii. Sigfox, LoRa gwarantują klasę C, aby obsłużyć małe opóźnienia dwukierunkowe kosztem zwiększonego zużycia energii.

Farnell współpracuje z wieloma różnymi dostawcami w wielu branżach produktów technologii komunikacji i rozwiązań, takich jak: bramki i zestawy sieciowe, moduły RFID, moduły sieciowe, moduły Bluetooth, moduły ZigBee, rozwiązania Sub-GHz, czujniki, bezprzewodowe sterowanie siecią, bezprzewodowe sterowanie procesami, zestawy rozwojowe komunikacji radiowej (RF) / bezprzewodowej