Slik kan sikker og robust trådløs konnektivitet distribueres for smart energi og forsyning

Trådløs kommunikasjon, inkludert lokale nettverk og skykonnektivitet, er et viktig element i en rekke smarte energi- og forsyningssystemer, for eksempel energimålere, kritisk infrastruktur, grønne energisystemer, elektriske kjøretøy, nettmodernisering, det smarte nettet og smarte byer. Disse bruksområdene involverer ofte kant-tilkobling og krever forutsigbar og sikker kommunikasjon med lav latenstid som kan støttes ved hjelp av IEEE 802.15.4, Zigbee, Bluetooth og andre protokoller. I noen tilfeller kan de dra nytte av en trådløs protokoll med lav effekt og høy gjennomstrømning, slik som IEEE 802.11 g/n-standarden, som gir høy datahastighet til nettverket til omtrent 300 meter utendørs.

I tillegg må disse trådløse enhetene oppfylle FCC-standardene (DCC – Federal Communications Commission) i USA, ETSI-kravene (ETSI – European Telecommunications Standards Institute) og EN 300 328 og EN 62368-1 i Europa, ISED (Innovation, Science and Economic Development) i Canada, MIC (Ministry of Internal Affairs and Communications) i Japan og andre. Utbygging av trådløs konnektivitet og innhenting av de nødvendige sertifiseringene kan være tidkrevende, noe som resulterer i økte kostnader og lengre tid før det endelige produktet kommer ut på markedet. I stedet kan konstruktører bruke forhåndskonstruerte og sertifiserte trådløse kommunikasjonsmoduler og utviklingsplattformer som enkelt kan integreres i smarte energi- og forsyningsenheter.

Artikkelen begynner med å gjennomgå flere kommunikasjonsalternativer og arkitekturer for lokale nettverk og skykonnektivitet, for eksempel kablede og trådløse nettverksalternativer. Deretter tilbyr den flere trådløse plattformer fra Digi, Silicon Labs, Laird Connectivity, Infineon og STMicroelectronics for distribusjon av sikker og robust trådløs konnektivitet for smart energi og strømforsyning, inkludert utviklingsmiljøer for å fremskynde konstruksjonsprosessen.

Store muligheter og utfordringer

Store utfordringer gir ofte store muligheter. Dette er absolutt tilfelle når smart energi og strømforsyning distribueres i infrastrukturen til smarte byer. For det første må eksisterende og aldrende infrastruktur integreres effektivt. Deretter er det behov for å distribuere geografisk spredte og teknologisk heterogene nettverk som er effektive og robuste. Til slutt forventes det at disse nettverkene gir fleksibiliteten som trengs for å håndtere fremtidig teknologiutvikling, slik som fremveksten av smarte og tilkoblede kjøretøy.

Avanserte automatiserte trafikkstyringssystemer kan for eksempel øke sikkerheten, forbedre energibruken og redusere miljøpåvirkningen fra biler, busser og andre kjøretøy. I dette tilfellet er det sentraliserte trafikkstyringssystemet koblet til nettverket gjennom fiber med høy båndbredde og trådløs backhaul-kommunikasjon. Andre systemelementer kan inkludere (figur 1):

• Ethernet- og mobilrutere som støtter IP-aktiverte enheter på lokalt nivå. I noen tilfeller blir strøm over Ethernet (PoE – power over Ethernet) lagt til for å utvide nettverkets anvendelighet og holde styr på kostnadene.
• Eldre utstyr kan integreres gjennom dedikerte tilkoblinger og serieporter.
• Lokale Wi-Fi- og Bluetooth-enheter kan overvåke trafikktetthet og fotgjengere med anonymiserte data. De resulterende dataene kan analyseres lokalt og sendes til det sentrale trafikkstyringssystemet for beslutningstaking og styringsfunksjoner på høyere nivå.
• En kombinasjon av trafikkameraer, sensorer som radar/lidar og andre datakilder brukes av både lokale avanserte faststofftrafikkstyringer (ASTC – advanced solid state traffic controllers) og flyttes til det sentraliserte styringssenteret for optimalisering av trafikkstrømmer i sanntid.

Figur 1: Automatisert trafikkstyring i en smart by spenner fra Wi-Fi-deteksjon av fotgjengere og kjøretøy til trafikkameraer og ASTC-styringer og et sentralisert trafikkadministrasjons- og styringssenter. (Bildekilde: Digi)

Samlet energieffektivitet, offentlig sikkerhet og redusert miljøpåvirkning fra veier i byer kan forbedres ved hjelp av følgende:

• Detektering og minimering av trafikkork ved å modifisere trafikkstrømmer og signaltiming i nær sanntid med en kombinasjon av lokale og sentraliserte styringer.
• Justering av signaltiming for å støtte effektiv og tidsnøyaktig drift av busser og andre typer massetransitt.
• Førstehjelpsarbeidere kan få optimalisert ruting i sanntid for å øke hastigheten på ankomsten og minimere den samlede innvirkningen på den offentlige sikkerheten.

Fremtidens smarte byer

Dagens smarte byer er et prosjekt som i stor grad fortsatt er under arbeid. Det er mange muligheter for forbedringer og fremskritt. Fremtidens smarte byer vil i økende grad fokusere på integrert energieffektivitet og forbedret livskvalitet. Elektriske kjøretøy (elbiler) og smarte eller autonome kjøretøy vil bli normen. De vil bli integrert i smarte hus, smart ladeinfrastruktur, smarte leveringssystemer og ende-til-ende-transportsystemer, som omfatter tog, trikker og busser, i tillegg til elektriske robotdrosjer som håndterer siste del av reisen (last mile travel).

Innbyggere vil bruke smarttelefoner for et økende utvalg av bruksområder, for eksempel kjøp av buss- og togbilletter, noe som vil fremskynde prosessen og ytterligere redusere miljøpåvirkningen av transport. Selv om transport vil fortsette å være den viktigste bruken av elektriske kjøretøy, er det ikke den eneste.

Kommersielle kjøretøy som lastebiler, busser, varebiler og anleggsmaskiner står for om lag en fjerdedel av CO₂-utslippene i en by og om lag fem prosent av de totale klimagassutslippene (GHG – greenhouse gas), ifølge Infineon. Integrert ladeinfrastruktur må utvikles for å imøtekomme de større batteriene i disse kommersielle kjøretøyene, i tillegg til lading av personbiler og elsykler. Ladeinfrastrukturen må sammenkobles og styres sentralt for å maksimere ladehastigheten for de ulike kjøretøytypene og de ulike brukstilfellene til disse.

For å støtte reduserte miljøpåvirkninger, forbedringer i livskvalitet og mer effektiv bruk av energi, vil det være behov for komplekse trådløse sanntidsnettverk som overvåker driften av spredte fornybare energikilder, mikrostrømnett og energilagring, optimaliserer energibruk, styrer vann- og avløp og håndterer et bredt utvalg av transportsystemer og andre systemer. Disse sanntidsnettverkene må være robuste og ha minimal latenstid (figur 2). For å støtte smartbyinfrastruktur trenger konstruktører verktøy som legger til rette for rask utvikling, distribusjon og oppdatering av komplekse kommunikasjonsnettverk og tilkoblede enheter.

Figur 2: Smartbytjenester vil være avhengige av robuste trådløse sanntidsnettverk for å koble til diverse konstruksjoner. (Bildekilde: Infineon)

Sikkert nettverk med trådløse moduler

For å raskt distribuere sikre nettverk, kan konstruktører bruke Digis XBee RR Wireless Modules som er basert på den trådløse system-på-brikke-enheten (SoC – system on chip) EFR32MG21B020F1024IM32-BR fra Silicon Labs, som inkluderer en 80 MHz ARM Cortex-M33-kjerne og et integrert sikkerhetsundersystem. XBee-moduler drar nytte av flere trådløse protokoller og frekvensbånd som Zigbee, 802.15.4 og DigiMesh, samt Bluetooth Low Energy (BLE) for å støtte et bredt utvalg av nettverksarkitekturer. DigiMesh er en nettverksprotokoll for peer-to-peer-maskenettverk som kan redusere kompleksiteten ved å bruke Zigbee for punkt-til-flerpunkt-konfigurasjoner. Disse modulene støtter BLE og tilkobling til en annen BLE-enhet.

Smarttelefontilkoblinger kan brukes til å konfigurere og programmere modulene ved å bruke XBee-mobilappen. I tillegg kan utviklere bruke XCTU-konfigurasjonsplattformen som er kompatibel med Windows, MacOS og Linux. XCTU bruker en grafisk nettverksvisning for å forenkle konfigurasjonen av trådløse nettverk og et utviklingsverktøy for API-rammebyggere for å raskt bygge XBee API-rammer. Funksjoner og alternativer for andre moduler inkluderer følgende:

• Kapslingsalternativer inkluderer mikrofesteenheter på 13 x 19 mm som XBRR-24Z8UM, overflatemonterte moduler som XBRR-24Z8PS-J og hullmonterte konfigurasjoner som XBRR-24Z8ST-J (figur 3)
• Pro-versjonen er FCC-sertifisert for bruk i Nord-Amerika, og standardversjonen oppfyller ETSI-standarder for bruk i Europa
• Modulkonfigurasjoner for lav og høy effekt
• Innendørs/urban rekkevidde på opptil 90 meter (300 fot), avhengig av forholdene
• Avhengig av forholdene, strekker siktlinjeforbindelsen seg opptil 3200 m (2 miles) utendørs
• Integrert IoT-sikkerhetsapp forenkler integrasjon av enhetssikkerhet, enhetsidentitet og personvern

Figur 3: Kapslingsalternativer for trådløse Digi XBee-moduler inkluderer mikrofeste (venstre), overflatemontering (midten) og hullmontering (høyre). (Bildekilde: DigiKey)

Smarte gatewayer

Sterling LWB+-modulene fra Laird Connectivity, for eksempel 453-00084R, er 2,4 GHz WLAN- og Bluetooth-kombinasjonsmoduler med høy ytelse som er konstruert for trådløse IoT-enheter og smarte gatewayer. De er basert på AIROC CYW43439-radioen med én enkel IC, fra Infineon og har et driftstemperaturområde på –40 °C til +85 °C, noe som gjør dem egnet i en rekke konstruksjoner for smarte strømforsyninger, smarte byer og smart energi. Sterling LWB+-moduler har globale sertifiseringer, deriblant FCC, ISED, EU, MIC og AS/NZS.

Sterling LWB+-moduler omfatter kontrolladresse for nettverkstilgang (MAC – medium access control), basisbånd og radio, samt en uavhengig høyhastighets UART for Bluetooth-grensesnitt. Laird Connectivity og Infineon støtter de nyeste Android- og Linux-driverne. Den integrerte brikkeantennen er motstandsdyktig mot forstemming og forenkler systemkonstruksjon og produksjon. Sterling LWB+-serien er et system i kapsling (SIP – system in package) og er tilgjengelig med en programgjennomløpspinne (trace pin), integrert brikkeantenne eller MHF4-kontakt. De inkluderer også WPA/WPA2/WPA3-kryptering. Disse modulene er tilgjengelige i fire kapslingstyper for å møte behovene til ulike systemdesigner og konstruksjonskrav (figur 4).

Figur 4: Basic Sterling LWB+ SIP (venstre), modul med MHF-kontakt (andre fra venstre), modul med integrert antenne (tredje fra venstre) og kortkantkontakt (høyre). (Bildekilde: Laird Connectivity)

Sterling-LWB+ inkluderer en sikker SDIO (secure digital input and output) med høy ytelse som støtter enkel integrasjon med alle Linux- eller Android-baserte systemer. For å fremskynde utviklingen av trådløse IoT-enheter og smarte gatewayer, kan konstruktører bruke 453-00084-K1-utviklingssettet, som inkluderer 453-00084R-modulen, med en integrert MHF-kontakt (figur 5).

Figur 5: Dette utviklingskortet inkluderer Laird 453-00084R Sterling LWB+-modulen med en integrert MHF-kontakt (Bildekilde: Laird Connectivity)

Trådløse sensornoder av industriell kvalitet

Trådløse sensornoder er en viktig del av smart energi og strømforsyning i smarte byer. For å hjelpe konstruktører med å håndtere kompleksiteten forbundet med å raskt utvikle, prototype og teste avanserte trådløse sensornoder, tilbyr STMicroelectronics STEVAL-STWINKT1B SensorTile-utviklingssettet og en referansekonstruksjon. Det inkluderer et X-NUCLEO-SAFEA1A-utvidelseskort som støtter autentisering av IoT-enheter og sikker datahåndtering, en BLUENRG-M2SA Bluetooth-transceivermodul og en IMP23ABSUTR MEMS-mikrofon. MEMS-mikrofonen er konstruert for å brukes med den innebygde mikrokontrolleren med ultralavt strømforbruk, for vibrasjonsanalyse med 9 frihetsgrader (DoF – degrees of freedom) av bevegelsesdetekteringsdata over et bredt spekter av vibrasjonsfrekvenser, fra 35 Hz opptil ultralyd. Den inkluderer også akselerometer, gyroskop, fuktighetssensor, magnetometer og trykk- og temperatursensorer.

SensorTile-utviklingssettet inkluderer tilgang til en rekke programvarepakker, fastvarebiblioteker og skybaserte dashbordprogrammer for å fremskynde utviklingen av omfattende ende-til-ende IoT-sensorsystemer. En integrert modul gir BLE-tilkobling, RS484-transceiveren støtter kablede tilkoblinger og plugin-utvidelseskortet STEVAL-STWINWFV1 tilbyr Wi-Fi-tilkobling. Hovedkortet inkluderer en STMod+-kontakt for å legge til datterkort med liten formfaktor basert på mikrokontrollere i STM32-familien. Til slutt består utviklingssettet av et 480 mAh Li-polymerbatteri, en frittstående STLINK-V3MINI-probe for feilsøking og programmering og en plastboks (figur 6).

Figur 6: STEVAL-STWINKT1B SensorTile-utviklingssettet og referansekonstruksjonen inneholder en omfattende pakke med miljøsensorer og støtte for flere tilkoblingsalternativer. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Sammendrag

En rekke trådløse tilkoblingsprotokoller er nødvendig for å støtte behovene til smarte energi- og forsyningssystemer i smarte byer. Disse systemene kan øke energieffektiviteten, forbedre offentlig sikkerhet, legge til rette for mer effektivt vann- og energibruk og redusere CO₂- og klimagassutslipp. Som vist, finnes det en rekke trådløse moduler og utviklingsmiljøer for trådløse protokoller som Wi-Fi, Zigbee og Bluetooth LE, og disse kan gi den sikre og robuste konnektiviteten som trengs for smart energi og forsyning i smartbyinfrastrukturer.