Biztonságos és megbízható vezeték nélküli kapcsolat kiépítése az intelligens áramellátó és közműszolgáltatások számára

A vezeték nélküli kommunikáció, beleértve a helyi hálózatokat és a felhőkhöz való csatlakozást is, számos intelligens áramellátó és közműrendszer alapvető eleme. Ilyenek többek közt a fogyasztásmérő műszerek, a kritikus infrastruktúra, a zöldenergia-rendszerek, a villanyjárművek, a villamos hálózat korszerűsítése, az intelligens villamos hálózat és az okosvárosok. Ezeken a felhasználási területeken gyakran használnak helyi kapcsolatokat, és kis késleltetési idejű, kiszámítható és biztonságos kommunikációra van szükség, amely az IEEE 802.15.4, a Zigbee, Bluetooth és más protokollok segítségével valósítható meg. Ezekhez bizonyos esetekben előnyös lehet egy kis fogyasztású, nagy átviteli sebességű vezeték nélküli protokoll, például az IEEE 802.11 g/n szabvány, amely nagy adatátviteli sebességű hálózati hozzáférést kínál szabadban körülbelül 300 méteres távolságig.

Ezenkívül ezeknek a vezeték nélküli eszközöknek meg kell felelniük az Amerikai Egyesült Államokban a Szövetségi Távközlési Hivatal (FCC, Federal Communications Commission) szabványainak, Európában az Európai Távközlési Szabványügyi Intézet (ETSI, European Telecommunications Standards Institute) követelményeinek, valamint az EN 300 328 és az EN 62368-1 európai szabványnak, Kanadában az Újítási, Tudományos és Gazdaságfejlesztési Minisztérium (ISED, Innovation, Science and Economic Development), Japánban a Belügyi és Távközlési Minisztérium (MIC) előírásainak és más követelményeknek. A vezeték nélküli kapcsolatok megtervezése és a szükséges tanúsítványok megszerzése időigényes lehet, ami megnövekedett költségeket és a piacra kerülési idő meghosszabbodását eredményezi. Ehelyett a tervezők használhatnak előre elkészített és tanúsított vezeték nélküli kommunikációs modulokat és fejlesztőplatformokat, amelyek könnyen beépíthetőek az intelligens áramellátó és közüzemi eszközökbe.

Ez a cikk a helyi hálózatok és a felhőcsatlakozás néhány kommunikációs lehetőségének és architektúrájának áttekintésével kezdődik, beleértve a vezetékes és vezeték nélküli hálózati megoldásokat. Ezután bemutatja a Digi, a Silicon Labs, a Laird Connectivity, az Infineon és az STMicroelectronics cégnek az intelligens áramellátó hálózatok és közművek biztonságos és megbízható vezeték nélküli kapcsolatainak kiépítésére használható néhány vezeték nélküli platformját, beleértve a tervezési folyamatot felgyorsító fejlesztőkörnyezeteket is.

Nagy lehetőségek és kihívások

A nagy lehetőségek gyakran nagy kihívásokkal járnak együtt. Ez teljes mértékben így van az intelligens áramellátó hálózatoknak és közműszolgáltatásoknak az okosvárosi infrastruktúrában történő kiépítése esetében is. Először is igény van arra, hogy a meglévő és elöregedő infrastruktúrát hatékonyan egységesítsék a mostani rendszerekkel. Aztán ott van a földrajzilag szétszórt és műszakilag heterogén, de jó hatásfokú és megbízható hálózatok kiépítésének szükségessége. Végül pedig ezeknek a hálózatoknak elég rugalmasoknak kell lenniük a jövőbeli műszaki fejlesztéseknek, például az intelligens és internetre kapcsolt járművek megjelenésének lehetővé tételéhez.

A korszerű automata forgalomirányító rendszerek javíthatják például a biztonságot és az energiafelhasználást, és csökkenthetik az autók, buszok és más járművek környezetre gyakorolt hatását. Ebben az esetben a központosított forgalomirányító rendszer nagy sávszélességű üvegszálas és vezeték nélküli felhordóhálózati kommunikáción keresztül kapcsolódik a hálózathoz. Egyéb rendszerelemek lehetnek még az alábbiak (1. ábra):

• Ethernetes- és mobilútválasztók, amelyek helyi szinten támogatják az IP protokollt ismerő eszközöket. Egyes esetekben a hálózat hasznosságának növelése és a költségek kézben tartása érdekében a PoE (Power over Ethernet, Etherneten át történő áramellátás) funkciót is tartalmazzák.
• A régebbi készülékek kifejezetten erre a célra szolgáló csatlakozásokon és soros portokon keresztül illeszthetők be a rendszerbe.
• A helyi wifi- és Bluetooth-eszközök személyhez nem köthető adatokkal képesek a forgalomsűrűség és a gyalogosok figyelésére. Az így kapott adatok helyben elemezhetők, és elküldhetők a központi forgalomirányító rendszerbe döntéshozatal céljából és magasabb szintű ellenőrzési funkciókhoz való felhasználásra.
• A forgalmi kamerák, érzékelők – például radarok és lidarok – és egyéb adatforrások adatainak kombinációját részben a helyi fejlett félvezetős forgalomirányító eszközök (ASTC, advanced solid state traffic controller) használják fel, részben el lesznek küldve az irányítóközpontba a forgalom valós időben történő optimalizálása céljából.

1. ábra: Az okosvárosok automatizált forgalomirányítása a gyalogosok és járművek wifis érzékelésétől kezdve a forgalomfigyelő kamerákon és fejlett félvezetős forgalomirányító eszközökön át a forgalomfigyelő és -irányító központig terjed (kép: Digi)

Az energiafelhasználás általános hatásfoka és a közbiztonság javítható és a városi utak környezetre gyakorolt hatásai csökkenthetőek az alábbiak révén:

• A torlódások felismerése és minimálisra csökkentése a forgalomnak és a forgalomirányító lámpák időzítésének közel valós idejű módosításával, kombinálva a helyi és a központi vezérlést.
• A forgalomirányító lámpák időzítésének módosítása a buszok és más tömegközlekedési eszközök hatékony és menetrend szerinti közlekedésének elősegítése érdekében.
• Az elsődleges beavatkozóknak valós időben optimalizált útvonalakat lehet biztosítani, hogy gyorsabban érkezzenek a helyszínre, és minimálisra csökkentsék a veszélyes események közbiztonságra gyakorolt általános hatását.

A jövő okosvárosai

A mai okosvárosok többnyire még csak folyamatban lévő feladatként léteznek. Bőséges lehetőség van a fejlesztésekre és előrelépésre. A jövő okosvárosai egyre inkább az energia jobb hatásfokú egységes felhasználására és a jobb életminőségre fognak összpontosítani. Általánossá válnak majd a villanyjárművek vagy e-járművek és az okos- vagy önvezető járművek. Egységesítve lesznek majd az okosházakkal, az intelligens töltőinfrastruktúrával, az intelligens szállítási rendszerekkel és a teljes körű közlekedési rendszerekkel, beleértve a vonatokat, a villamosokat és a buszokat, valamint az utazások utolsó kilométereinek megtételéhez használt robotvillanytaxikat.

A lakosok egyre többféle célra használják majd az okostelefonokat, többek között busz- és vonatjegyek vásárlására, ami felgyorsítja a folyamatot, és tovább csökkenti a közlekedés környezetre gyakorolt hatását. Bár a villanyjárművek fő felhasználási területe továbbra is a közlekedés marad, nem az lesz az egyetlen.

Az Infineon szerint a haszongépjárművek, például a teherautók, buszok, teher- és áruszállító furgonok, valamint az építőipari berendezések a városok CO₂-kibocsátásának mintegy negyedéért és az üvegházhatású gázok (GHG, greenhouse gas) teljes kibocsátásának mintegy öt százalékáért felelősek. Egységes töltőinfrastruktúrát kell kialakítani, hogy a személygépkocsik és a villanykerékpárok töltése mellett az ilyen haszongépjárművek nagyobb akkumulátorait is lehessen tölteni. A töltőinfrastruktúrának egymással összekapcsoltnak és központilag vezéreltnek kell lennie, hogy a különböző járműtípusok és felhasználási módok esetében maximálisra lehessen növelni a töltési sebességet.

A környezetre gyakorolt hatások csökkentése, az életminőség javítása és az energia hatékony felhasználása érdekében olyan összetett valós idejű vezeték nélküli hálózatokra lesz szükség, amelyek ellenőrzik a szétszórt megújuló energiaforrások, a villamos mikrohálózatok és az energiatárolók működését, optimalizálják az energiafelhasználást, és felügyelik a víz- és szennyvízfelhasználást, valamint a közlekedési és egyéb rendszerek széles körét. Ezeknek a valós idejű hálózatoknak megbízhatóaknak és minimális késleltetési idejűeknek kell lenniük (2. ábra). Az okosvárosok infrastruktúrájának támogatásához a tervezőknek olyan eszközökre van szükségük, amelyek lehetővé teszik az összetett kommunikációs hálózatok és az internetre kapcsolt eszközök gyors fejlesztését, telepítését és frissítését.

2. ábra: Az okosvárosok szolgáltatásai megbízható valós idejű vezeték nélküli hálózatokra támaszkodva kapcsolják össze a különböző rendszereket (kép: Infineon)

Biztonságos hálózatok kialakítása vezeték nélküli modulokkal

A biztonságos hálózatok gyors kiépítéséhez a tervezők használhatják a Digi XBee RR vezeték nélküli moduljait, amelyek a Silicon Labs EFR32MG21B020F1024IM32-BR jelű, 80 MHz-es ARM Cortex-M33 magot és beépített biztonsági alrendszert tartalmazó vezeték nélküli egylapkás rendszerén (SoC, system on a chip) alapulnak. Az XBee modulok több vezeték nélküli protokollt és frekvenciasávot használnak, hogy a hálózati architektúrák széles skáláját támogassák. A támogatott protokollok között megtalálható a Zigbee, a 802.15.4 és a DigiMesh, valamint a BLE (Bluetooth low energy, kis fogyasztású Bluetooth) protokoll. A DigiMesh egy egyenrangú (angol kifejezéssel peer-to-peer) teljes hurkos (vagy angol szóval mesh) hálózati protokoll, amely csökkentheti a Zigbee használatának bonyolultságát az olyan rendszerek esetében, ahol egy pont kommunikál több ponttal. Ezek a modulok támogatják a BLE-t és a más BLE-eszközökkel való kapcsolatot.

Az XBee mobilalkalmazást használó modulok okostelefonos kapcsolaton át állíthatóak be és programozhatóak. Ezenkívül a fejlesztők használhatják a Windows, MacOS és Linux operációs rendszerekkel kompatibilis XCTU beállítóplatformot. Az XCTU grafikus hálózati nézetet használ a vezeték nélküli hálózat beállításának egyszerűsítésére, valamint egy API-keretépítő fejlesztőeszközt az XBee API-keretek gyors létrehozásához. A modulok egyéb funkciói és lehetőségei a következők:

• A tokozási változatok közé tartoznak a 13 mm × 19 mm-es kis méretű kártyára szerelt (micro mount) változatok, mint az XBRR-24Z8UM, a felületszerelt modulok, mint az XBRR-24Z8PS-J és a furatszerelt kialakítások, mint az XBRR-24Z8ST-J (3. ábra).
• A PRO verzió FCC-tanúsítvánnyal rendelkezik észak-amerikai használatra, a normál verzió pedig megfelel az ETSI szabványoknak európai használatra.
• Kis és nagy teljesítményű modulváltozatok.
• A beltéri/városi hatótávolság a körülményektől függően akár 90 méter (300 láb) is lehet.
• A kültéri hatótávolság optikai rálátás esetén a körülményektől függően akár 3200 m (2 mérföld) is lehet.
• A dolgok internetéhez (IoT) való beépített biztonsági alkalmazás egyszerűsíti az eszközbiztonság, az eszközazonosítás és az adatvédelem beépítését a készülékekbe.

3. ábra: A Digi XBee vezeték nélküli modulok tokozási változatai a kis méretű kártyára szerelt (balra), a felületszerelt (középen) és a furatszerelt (jobbra) kialakítás (kép: DigiKey)

Intelligens átjárók

A Laird Connectivity cég Sterling LWB+ moduljai – például a 453-00084R jelű – nagy teljesítményű, 2,4 GHz-es kombinált WLAN- és Bluetooth-modulok, amelyeket a dolgok internetére kapcsolódó vezeték nélküli eszközökhöz és intelligens átjárókhoz terveztek. Ezek az Infineon cég AIROC CYW43439 egylapkás rádiós IC-jén alapulnak, és –40 °C és +85 °C közötti az üzemi hőmérséklet-tartományuk, így számos intelligens közműves, okosvárosi és energetikai felhasználási területre alkalmasak. A Sterling LWB+ modulok különféle globális tanúsítványokkal rendelkeznek, beleértve az FCC-, az ISED-, az EU-, a MIC- és az AS/NZS-tanúsítványokat.

A Sterling LWB+ modulok tartalmazzák a közeghozzáférés-vezérlőt (MAC, media access control), az alapsávot és a rádiót, valamint egy független nagy sebességű UART-kapcsolatot a Bluetooth-illesztőfelületekhez. A Laird Connectivity és az Infineon támogatja a legújabb Android- és Linux-illesztőprogramokat. A beépített lapkaantenna ellenáll az áthangolásnak, és egyszerűsíti a rendszertervezést és a gyártást. A Sterling LWB+ sorozat egy egy tokba épített (SiP, system in package) rendszer, és nyomkövető lábbal, beépített lapkaantennával vagy MHF4 csatlakozóval kapható. A sorozat tagjai WPA/WPA2/WPA3 titkosítást is tartalmaznak. Ezek a modulok négyféle kiszerelésben kaphatóak, hogy megfeleljenek a különböző rendszerkialakítások és felhasználási követelmények támasztotta igényeknek (4. ábra).

4. ábra: A Sterling LWB+ egy tokba épített rendszer alapváltozata (balra), az MHF-csatlakozóval ellátott modul (balról a második), a beépített antennával ellátott modul (balról a harmadik) és az élcsatlakozós kártyára szerelt változat (jobbra) (kép: Laird Connectivity)

A Sterling-LWB+ tartalmaz egy nagy teljesítményű biztonságos digitális be- és kimenetet (SDIO, secure digital input and output), amely lehetővé teszi az egyszerű beépítést bármely Linux- vagy Android-alapú rendszerbe. A dolgok internetére (IoT) kapcsolt vezeték nélküli eszközök és intelligens átjárók fejlesztésének felgyorsítása érdekében a tervezők használhatják a 453-00084-K1 fejlesztőkészletet, amely a 453-00084R modult tartalmazza beépített MHF-csatlakozóval (5. ábra).

5. ábra: Ez a fejlesztőkártya a Laird 453-00084R Sterling LWB+ modult tartalmazza beépített MHF csatlakozóval (kép: Laird Connectivity)

Ipari minőségű vezeték nélküli érzékelő-csomópontok

Az okosvárosokban a vezeték nélküli érzékelő-csomópontok fontos részét képezik az intelligens áramellátásnak és közműrendszernek. Az STMicroelectronics a korszerű vezeték nélküli érzékelő-csomópontok gyors tervezésével, prototípusainak elkészítésével és tesztelésével járó bonyolult feladatok megoldására a STEVAL-STWINKT1B SensorTile fejlesztőkészletet és referenciatervet kínálja. A fejesztőkészlet részei egy X-NUCLEO-SAFEA1A bővítőkártya, amely támogatja az dolgok internetére kapcsolt eszközök hitelesítését és a biztonságos adatkezelést, valamint egy BLUENRG-M2SA Bluetooth adó-vevő modul és egy IMP23ABSUTR MEMS mikrofon. A MEMS (mikro-elektromechanikus, micro-electromechanical systems) mikrofont úgy tervezték, hogy a kártyára szerelt rendkívül kis fogyasztású mikrovezérlővel együtt széles frekvenciatartományban lehessen használni a 9 szabadságfokú mozgásérzékelési adatok alapján végzett rezgéselemzésére 35 Hz-től az ultrahangokig. Ezenkívül tartalmaz a fejlesztőkészlet gyorsulásmérőt, pörgettyűt (giroszkópot), páratartalom-érzékelőt és magnetométert, valamint nyomás- és hőmérséklet-érzékelőt.

A SensorTile fejlesztőkészlet szoftvercsomagok, firmware-könyvtárak és felhőalapú műszerfali alkalmazások széles skálájához való hozzáférést tesz lehetővé, hogy felgyorsítsa a dolgok internetére kapcsolt átfogó, teljes körű érzékelőrendszerek fejlesztését. A BLE-kapcsolatot egy beépített modul valósítja meg, az RS484 adó-vevő támogatja a vezetékes kapcsolatokat, a STEVAL-STWINWFV1 bedugható bővítőkártya pedig a wifikapcsolatért felel. Az alaplap tartalmaz egy STMod+ csatlakozót az STM32 mikrovezérlő-családon alapuló, kis méretű segédkártyák hozzáadása végett. Ezeken kívül a fejlesztőkészlet része még egy 480 mAh kapacitású Li-polimer akkumulátor, egy STLINK-V3MINI önálló hibakereső és programozó szonda, valamint egy műanyag ház (6. ábra).

6. ábra: A STEVAL-STWINKT1B SensorTile fejlesztőkészlet és referenciaterv környezeti érzékelők átfogó csomagját és számos csatlakozási lehetőség támogatását tartalmazza (kép: STMicroelectronics)

Összegzés

Az okosvárosokban az intelligens áramellátó és közműrendszerek igényeinek támogatásához sokféle vezeték nélküli csatlakozási protokollra van szükség. Ezek a rendszerek javíthatják az energiafelhasználás hatásfokát, támogathatják a hatékonyabb víz- és energiafelhasználást, javíthatják a közbiztonságot, valamint csökkenthetik a CO₂ és az üvegházhatású gázok kibocsátását. Mint látható, a wifi, a Zigbee és a BLE (kis fogyasztású Bluetooth) vezeték nélküli protokollokhoz többféle vezeték nélküli modul és fejlesztőkörnyezet létezik, amelyek képesek biztosítani az okosvárosok infrastruktúrájában az intelligens áramellátáshoz és közművekhez szükséges biztonságos és megbízható kapcsolatokat.