Energy optimization communication methods used in industrial application

Metody komunikacji na potrzeby optymalizacji zużycia energii wykorzystywane w zastosowaniach przemysłowych

W tym artykule omówiono główne protokoły komunikacyjne oraz ich wpływ na zużycie energii.

When selecting a communication method for IIoT devices in industrial applications, several factors must be considered: maximum throughput, distance range, availability in the deployment zone, and energy consumption. Smart Manufacturing Communication Technologies are discussed in Section 3 of the whitepaper, "Smart Solutions for Energy Efficiency" (click here for more information).

IIoT applications contains groups of sensors that are connected to sensor nodes. The transmission time is determined by the distance between two nodes, the data rate, and the message size, all of which have an impact on energy optimisation. Indeed, the higher the data rate, the less amount of time needed to receive/transmit data, resulting in energy consumption reduction. Sensor nodes are generally battery-powered devices, whose lifetime is influenced by several factors, external from the battery technology, design, and manufacturing quality.

Adoption of a wireless connectivity solution would provide extremely low energy consumption for devices whilst retaining the ability to quickly transmit huge amounts of data over varying distances, with all of this to remain economically viable.

Rysunek 1: Technologie łączności bezprzewodowej

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).

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