Rask implementering av eksternt industrielt IoT-mobilendepunkt ved hjelp av LTE-mikrostyring og -ruter

Etter hvert som IoT (Internet of Things)-anvendelsene utvides, må også rekkevidden til de tilknyttede nettverkene utvides. Selv om Wi-Fi, Bluetooth og ZigBee kan være tilgjengelig for praktisk trådløst nettverk i nærheten av eller innenfor et industrianlegg, må noen industrielle IoT (IIoT)-nettverk ha ekstern overvåking og kontroll av systemer i feltet som kan være mange kilometer unna eller som er fordelt over flere plasseringer – ofte på steder som er vanskelige og tidkrevende for vedlikeholdsteknikere å nå. I disse situasjonene er mobilnettverk den beste trådløse løsningen.

Denne artikkelen forklarer behovet for ekstern dataovervåking og kontroll via mobilnettet for enkelte IIoT-anvendelser som er plassert mange kilometer unna, og beskriver fordelene med en ekstern IIoT-node som må spare strøm med lite eller ikke noe vedlikehold. Den introduserer deretter en mobil mikrostyring fra Nordic Semiconductor, som kan overføre data via et LTE-nettverk til en DIN-montert mobilruter fra Phoenix Contact.

Utvidet IIoT-nettverk

Konvensjonelle IIoT-nettverk er plassert på ett sted, for eksempel en produksjonsfasilitet, et automatisert lager eller en utendørs park. Nettverkstilkobling til huben kan være kablet som industrielt Ethernet, eller trådløst som Wi-Fi eller Zigbee. Dette administreres enkelt fra et sentral sted med tilgang til plasseringen av endepunkter på IIoT-nettverket, noe som muliggjør effektivt vedlikehold eller utskiftning.

Etter hvert som IIoT utvides, utvides også bruksmønstrene. Anleggsledere må aktivt overvåke og kontrollere eksterne systemer med minimal ventetid mellom det eksterne systemet og hovedhuben, for å bedre effektiviteten og få umiddelbar kontroll over nettverk. Transportsystemer, for eksempel tog, undergrunnsbaner og langtransport, kan dra nytte av å overvåke ulike sensorer på motoren eller den elektriske motoren, samt drivstoff- og energiforbruket, hastigheten og distansen, og GPS-posisjoneringen for sporing av plassering og for å beregne tiden det tar å nå destinasjonen. Disse dataene sendes til hovedanlegget eller hovedkontoret, og analyseres. Dataene kan brukes nesten umiddelbart for å spare tid og penger ved å forbedre effektiviteten og forebygge feil, og dermed redusere kostnadene samtidig som det øker påliteligheten.

Olje- og gassrørledninger drar nytte av IIoT-nettverk ved å overvåke volum og trykk i rørledningen, samt miljømessige forhold som for eksempel temperatur, barometeravlesninger og fuktighet. Presis GPS-posisjonering i tillegg til vibrasjons- og gyroskopsensorer kan oppdage bevegelse på rørledningen på grunn av eksterne krefter, for eksempel seismiske hendelser. I noen tilfeller kan flyten gjennom rørledningen begrenses eller stoppes med fjernstyring. Dette gjøres ofte ved en nødsituasjon, for eksempel et jordskjelv. Utstyr kan kjøre selvdiagnostikk og sende resultatene til fabrikken for analyse.  Ettersom disse rørledningene kan befinne seg i tøffe miljøer, slik som polarsirkelen, mange tusen kilometer fra hovedkontoret, er det viktig at endepunktet har et kommunikasjonsnettverk som er helt pålitelig.

Introduksjon av mobil IoT

IIoT-nettverk har blitt utvidet til å sende data via eksisterende LTE-mobilnettverk for å oppfylle disse behovene. Slik kan et IIoT-endepunkt plasseres nesten hvor som helst i verden der LTE-tilkobling er tilgjengelig, så lenge det er mulighet for å bruke og opprettholde en strømkilde. En ekstra fordel med dette er også at kostnadene og innsatsen tilknyttet vedlikehold av mobilnettverket er mobiloperatørenes ansvar. Siden disse systemene kan være plassert på eksterne, uovervåkede steder som er vanskelige å nå, må det eksterne IIoT-mobilendepunktet være pålitelig og beskyttet mot hacking eller fysisk manipulering.

Det første trinnet mot et pålitelig, innebygd system for IIoT er å holde systemet enkelt samtidig som strømforbruket minimeres. Når systemet holdes enkelt, reduseres antallet svake punkter. Senking av strømforbruket forbedrer påliteligheten ved å redusere varmen, noe som forlenger levetiden til de fleste halvlederenhetene samt forbedrer batterilevetiden til batteridrevne IIoT-endepunkter.

Nordic Semiconductor har lansert nRF9160 LTE mobil IoT-mikrostyring for å oppfylle disse kravene. nRF9160 forenkler utviklingen av mobile IIoT-endepunkter ved å inkludere et fullstendig LTE-modem på integrert krets, som er kompatibelt med de nyeste datastandardene for mobil IoT og maskin-til-maskin (M2M) (figur 1).

<Figur 1: Nordic Semiconductor nRF9160 LTE mobil mikrostyring er basert på Arm® Cortex®-M33-kjernen. Den har alt tilbehøret som er nødvendig for å bygge et mobilt IoT-endepunkt, inkludert et LTE-modem og en GPS-modul. (Bildekilde: Nordic Semiconductor)

Nordic Semiconductor nRF9160 er basert på en 64 megahertz (MHz) Arm Cortex-M33-prosessorkjerne, som er spesielt rettet mot IoT-anvendelser med lavt strømforbruk. Cortex-M33 støtter multipliserings- og akkumuleringsoperasjoner (MAC) med enkel syklus, og har instruksjoner for enkeltpresisjons flytepunktenheter (FPU), en maskinvaredeling, og flerdataoperasjoner med enkeltinstruksjoner (SIMD). Dette er nyttig for rask behandling av sensordata, som i beregning av sensorfusjon. Cortex-M33 er svært deterministisk, selv når du bruker og avslutter laveffektsmodus, og har støtte for drift i sanntid.

nRF9160-mikrostyringen har 1 MB Flash på integrert krets for anvendelsens fastvare, og 256 KB RAM med lite lekkasje. Den har et Arm TrustZone-undersystem for kryptografiske operasjoner, inkludert AES-kryptering, en sann tilfeldig nummergenerator (TRNG) og sikker passordadministrering. Dette er nyttig for å verifisere kryptert datakommunikasjon samt å oppdage manipulering av fastvare. Standard seriegrensesnitt på integrert krets inkluderer SPI-, I²C- og UART-porter for grensesnitt til eksterne sensorer og aktuatorer. En åttekanals, lokal 12-bits (14-bits med oversampling) analog-til-digital-omformer (ADC) er nyttig for analog sensoravlesning.

nRF9160 har også en GPS-mottaker på integrert krets som er optimert for IoT-endepunkter med lavt strømforbruk. Dette er spesielt nyttig for mobile endepunkter som for eksempel lastebiler og tog. Det er også nyttig for systemer som kan utilsiktet skifte posisjon på grunn av seismisk aktivitet, eller for å oppdage tilsiktet bevegelse hvis endepunktet er montert på en flyttbar enhet, for eksempel robotikkutstyr. GPS-mottakeren deler RF-transceiveren på integrert krets med LTE-modemet. Hvis både LTE-modemet og GPS-mottakeren er aktiv, blir den delte RF-transceiveren tidsmultiplekset med GPS-modulen og LTE-modemet. LTE-modemet har prioritet.

LTE-modemet på nRF9160 består av en vertskontrollprosessor med dedikert Flash- og RAM-minne, en basisbåndprosessor, en RF-transceiver med ekstern 50 ohm (Ω) antennepinne og et SIM-kortgrensesnitt. LTE-modemet har sin egen diagnostikk og feildeteksjon for økt pålitelighet av kommunikasjonen. LTE-modemet støtter laveffekts M2M og IoT-datakommunikasjonsprotokoller, inkludert Cat-M1, Cat-NB1 og Cat-NB2.

LTE-modemet må ha et standard SIM-kort som inneholder det trådløse nettverket, telefonnummeret og abonnentinformasjonen, for å utveksle data via et LTE-nettverk. nRF9160 LTE-vertsbehandleren har et eksternt universalintegrert kretskortgrensesnitt (UICC), også kalt et SIM-kortgrensesnitt, for tilkobling til et aktivert SIM-kort som er kompatibelt med LTE-M- eller Narrowband IoT (NB-IoT)-dataoverføringsstandarder.

Hvert nRF9160 LTE-endepunkt krever kjøp av et SIM-kort med riktig dataabonnement fra en mobilleverandør. Du kan enkelt kjøpe et SIM-kort og mobildataabonnement for IoT-nettverksenheter fra DigiKey. Abonnementer er tilgjengelige med en datakapasitet fra 300 KB opptil 5 GB per måned.

nRF9160 kan driftes fra 3,0 til 5,5 volt, noe som gjør den egnet for bruk med batteridrevne IIoT-endepunkter med et 3,7-volts litium-batteri. Drift ved 3,7 volt anbefales, da de fleste enhetsspesifikasjonene er på en 3,7-volts forsyningsspenning. Mesteparten av strømdomenene for tilbehør og prosessormoduler for nRF9160 kan konfigureres, og strømmen kan slås av og på ved fastvarekontroll. Dette gjør det mulig for utviklere å fininnstille strømforbruket for å oppfylle spesifikke anvendelsesbehov.

nRF9160 har et strømsparingsmodus (PSM) som gjør kjernen inaktiv (kjerneregistertilstander blir bevart), slår LTE-modemet av, og slår det meste av tilbehøret av. For et IIoT-endepunkt som må holde styr på tiden, kan RTC settes til PSM. nRF9160 forbruker da kun 2,35 mikroampere (μA), som er en imponerende lavt strømforbruk for en batteridrevet enhet.

GPS-modulen forbruker omtrent 47 milliampere (mA) ved kontinuerlig sporing. Det er imidlertid mer praktisk å kjøre GPS-en i PSM, da den da kun forbruker ytterligere 12 mA. Dette er passende for tog eller lastebiler som krever kontinuerlig stedsovervåking i sanntid. Et mer økonomisk modus konfigurerer GPS-en til å utføre en enkel fiksering hvert andre minutt, noe som kun krever 1,3 mA. Dette er egnet for faste noder som kun trenger å oppdage sporadiske bevegelser.

Når du kommuniserer med en LTE-M-protokoll, kan nRF9160 overføre data så raskt som 375 kilobit per sekund (kbps). NB-IoT-protokollen med lavere datahastighet er så rask som 60 kbps. Disse lave datahastighetene sparer strøm og opprettholder pålitelig kommunikasjon mellom endepunktet og huben. LTE-modemet støtter også TLS (Transport Layer Security), som muliggjør sikker, kryptert kommunikasjon for å forhindre menneskeskapte angrep eller uautorisert oppfanging av overførte data.

nRF9160 kan driftes i temperaturer fra -40 til + 85° C, noe som gjør den egnet for ekstremt kalde og svært varme omgivelser.

LTE-radioen gir opptil 23 dBm utgangseffekt til antennen. Den er kompatibel med IPv4 og nyeste IPv6, som gjør at den enkelt kan utvides til nye IP-adresser uten begrensningene til IPv4. LTE-modemet støtter også SMS-meldinger. Dette gjør det mulig for IIoT-endepunktet å sende og motta tekstdata som ligner på en mobiltelefon, men i stedet for å si «hallo», kan meldingene brukes til å motta sensordata og sende driftskommandoer.

Utvikling av LTE-endepunkt

Nordic Semiconductor leverer nRF6943 Nordic Thingy:91 mobilt utviklingskort for å støtte utvikling for nRF9160 (figur 2). Kortet er praktisk pakket som et sett i en lys oransje boks, som nesten kan brukes slik den er, for rask implementering.

Figur 2: Nordic Semiconductor nRF6943 Thingy:91 er et mobilt utviklingssett med full funksjonalitet og en mengde sensorer og pinner for tilkobling av eksterne enheter. Den har en SIM-kortkontakt for SIM-kortet til abonnenten. (Bildekilde: Nordic Semiconductor)

nRF6943-utviklingssettet leveres med et oppladbart 1400 milliampetimers (mAh) litium-polymer-batteri som lades via den tilgjengelige USB-porten. USB-porten brukes også til å koble nRF6943 til en PC for utvikling, programmering og feilsøking av fastvare.

nRF6943 Thingy:91-utviklingssettet leveres med en rekke innebygde sensorer, inkludert et laveffektssakselerometer, et høy-G-akselerometer, en lys- og fargesensor og en strømmålingsport. En miljøsensor oppdager temperatur, fuktighet, luftkvalitet og lufttrykk. Individuelle portpinner er tilgjengelig for tilkobling til ytterligere eksterne sensorer. I tillegg kjører nRF9160 fire effekt-MOSFET-er som kan brukes til å drifte små DC-motorer eller høystrøms-LED-er. En magnetisk alarm og tre RGB-LED-er gir lyd og visuell tilbakemelding under utvikling. Det finnes også to knapper som kan programmeres ved bruk av anvendelsesfastvaren.

Koble til hovedhuben

Et IIoT nRF9160-endepunkt kan plasseres hvor som helst i verden der LTE-tilkobling er tilgjengelig. IIoT-mobilendepunktet kan overføre data til en mobil ruter, som Phoenix Contact 1010464 4G LTE-ruteren (figur 3), med hovedhuben via mobilnettverket til en mobiloperatør.

Figur 3: Phoenix Contact 1010464 mobil ruter er en industriell 4G LTE-ruter med en integrert brannmur og støtte for virtuelt privat nettverk (VPN). (Bildekilde: Phoenix Contact)

Phoenix Contact 1010464 4G LTE-ruteren er laget for tøffe industrielle miljøer, og kobles til mobilnettverket. Det finnes et SIM-kortspor på baksiden for SIM-kortet til abonnenten. Ruteren er DIN-skinnemontert for praktisk integrering i et eksisterende DIN-skinnesystem med et minimum av maskinvarekonfigurasjon. Plasseringen av ruteren må gjøre det mulig å motta et tydelig mobilnettsignal. Både IIoT-endepunktsfastvaren og denne mobile ruteren må konfigureres med telefonnumrene til hver enkelt SIM, slik at de kan kommunisere sikkert og effektivt. LTE-ruteren har en brannmur for ekstra sikkerhet, og kan enkelt blokkere uautorisert LTE-tilgang fra ikke-autoriserte telefonnumre, samt mistenkelige pakker fra autoriserte numre. Med VPN-støtte får du sikrere datakommunikasjon. LTE-mobilruteren har en fireports-svitsj på forsiden og kommuniserer med det lokale nettverket via Ethernet.

Denne kombinasjonen av et laveffekts IIoT-endepunkt og en LTE-mobilruter muliggjør enkel kommunikasjon mellom hovedhuben og det industrielle endepunktet, hvor hastigheten til kommunikasjonen kun er begrenset av den tilgjengelige båndbredden til mobilnettverket.

Konklusjon

Som vist, kan IIoT-nettverk enkelt utvides for å inkludere endepunkter hvor som helst i verden. Bruk av laveffekts mikrostyring med et integrert LTE-mobilmodem sparer tid og designkostnader, og når den er riktig konfigurert, kan den overføre data til en mobilruter på hovedhuben 24 timer i døgnet.