لقد ثبت أن شبكات استشعار إنترنت الأشياء (IoT) يمكنها تحسين الكفاءة من خلال استخدام البيانات في الوقت الفعلي وتقليل وقت التوقف عن العمل من خلال الصيانة التنبؤية، وبالتالي تغيير قواعد اللعبة للأتمتة الصناعية والطاقة المتجددة وأنظمة الإضاءة الذكية. ومع ذلك، نظرًا لأن النظام مزود بالمزيد والمزيد من عقد الاستشعار اللاسلكية، سيواجه المصممون التحدي المتمثل في كيفية توسيع شبكات إنترنت الأشياء الصناعية (IIoT) بشكل موثوق في البيئات القاسية، مع تقليل تكاليف التنفيذ والتشغيل، ومعالجة مشكلات ازدحام الشبكة، وضمان الأمن.
توضح هذه المقالة المشكلات المختلفة التي يواجهها المصممون عند توسيع شبكات IIoT. ثم قم بتقديم وحدة Bluetooth (BLE) منخفضة الطاقة ومجموعة التطوير من Digi، واشرح كيفية حل المشكلات المذكورة أعلاه بسرعة وفعالية باستخدام هذه المنتجات.
التحديات التي تواجه توسيع البنية التحتية لإنترنت الأشياء اللاسلكية
يتضمن إنترنت الأشياء الصناعية (IIoT) مجموعة واسعة من مجالات التطبيق، من بينها جمع البيانات أمر بالغ الأهمية لتحسين الكفاءة والقدرة على التنبؤ. وبأخذ الإضاءة الذكية كمثال، تقوم أجهزة الاستشعار اللاسلكية بجمع بيانات الإضاءة المحيطة والإشغال، وضبط الاستخدام في الوقت الفعلي، وتوفير استهلاك الطاقة والتكاليف ذات الصلة.
وبالمثل، تستخدم تطبيقات الطاقة المتجددة شبكات استشعار إنترنت الأشياء عن بعد لمراقبة مصادر الطاقة المختلفة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. تقوم أنظمة مراقبة الشبكة هذه بمراقبة الحالة والأداء والتنبؤ بالأخطاء وضبط مصدر طاقة الشبكة ديناميكيًا.
مثل المجالات الأخرى التي تستخدم تكنولوجيا الأتمتة الصناعية، يعد جمع البيانات من الأجزاء المتحركة أمرًا أساسيًا لتنفيذ الصيانة التنبؤية. يمكن أن يؤدي تركيب مئات من أجهزة الاستشعار اللاسلكية في جميع أنحاء النظام الصناعي بأكمله إلى توفير معلومات بيانات دقيقة، وبالتالي تحسين العمليات، وتقليل أعمال الصيانة، وخفض تكاليف التشغيل. ومع ذلك، مع توسع نطاق شبكات الاستشعار، قد تنشأ مشكلات في الأداء، مثل
التداخل: تتأثر البيئات الصناعية عادةً بالتداخل الكهرومغناطيسي عالي المستوى (EMI) الناتج عن المحركات وإمدادات الطاقة ذات وضع التبديل ومعدات اللحام بالقوس. يمكن أن يسبب هذا EMI انخفاضًا متقطعًا في معدل نقل البيانات، مما يؤثر بشكل خطير على النقل الفعال للبيانات.
اكتظاظ الشبكة: يمكن أن يؤدي تشغيل أجهزة لاسلكية متعددة من مسافة قريبة إلى تشبع الشبكة، مما يؤدي إلى زيادة زمن الوصول وانقطاع الاتصال، مما قد يعيق الاكتشاف في الوقت الفعلي ويزيد من استهلاك الطاقة.
الأمن: تشكل هجمات القراصنة تهديدًا كبيرًا للبنية التحتية الحيوية مثل الطاقة أو الخدمات اللوجستية، لذلك يجب أن تتمتع شبكات الاستشعار بأمان قوي. ومع ذلك، مع زيادة عدد نقاط النهاية، يزداد أيضًا عدد نقاط الضعف.
التحدي الآخر هو دمج أجهزة الاستشعار اللاسلكية مع البروتوكولات الصناعية القياسية. قد يتضمن هذا التكامل إعادة تنسيق البيانات وضغطها لتقليل حركة مرور الشبكة؛ ومع ذلك، يجب تنفيذ هذه العمليات على الأجهزة، ومع زيادة عدد أجهزة الاستشعار والبروتوكولات، سترتفع أيضًا التكاليف واستهلاك الطاقة بسرعة. بالإضافة إلى ذلك، فإن عدد أجهزة الاستشعار في الموقع يتزايد باستمرار، مما يجعل أعمال الصيانة معقدة بشكل متزايد، حيث يلزم إجراء صيانة غير تنبؤية لأجهزة الاستشعار سواء كان ذلك بسبب عطل أو مجرد استبدال البطارية.
تتألق تقنية البلوتوث في إنترنت الأشياء الصناعي (IIoT) على نطاق واسع
من بين العديد من بروتوكولات إنترنت الأشياء الصناعية (IIoT)، تعد تقنية Bluetooth حلاً قويًا يمكنه معالجة مجموعة من المشكلات مع توسع شبكات الاستشعار. على سبيل المثال، باستخدام قفز التردد التكيفي (AFH)، يمكن لتقنية Bluetooth تحسين قدرتها على مقاومة التداخل. سوف يقوم AFH بتقسيم البيانات إلى حزم صغيرة وإرسالها عبر ترددات متعددة، ثم إعادة تجميعها في الطرف المتلقي. سيتم إعادة إرسال أي حزمة بيانات مفقودة بعد إرسال تقرير الخسارة لضمان موثوقية الاتصال ومنع فقدان المعلومات الطويلة بسبب التداخل الكهرومغناطيسي.
لتجنب ازدحام الشبكة المفرط، تدعم تقنية البلوتوث التحكم في قوة الإرسال بالنسبة لجهاز الاستقبال بعد إنشاء الاتصال. تساعد هذه الطريقة، جنبًا إلى جنب مع AFH، على توفير الطاقة مع تقليل EMI، مما يسمح لمئات الأجهزة اللاسلكية بالعمل في نفس المساحة. بالإضافة إلى ذلك، تعمل تقنية Bluetooth أيضًا على تقليل الثغرات الأمنية من خلال استخدام التشفير القوي وبروتوكولات التحقق المرنة.
في نشر إنترنت الأشياء الصناعية، تتواصل شبكات مستشعرات Bluetooth واسعة النطاق بشكل أساسي من خلال بوابات مصممة خصيصًا للاقتران بأجهزة متعددة. من خلال بناء عقد استشعار حول تقنية Bluetooth، يمكن للمطورين تحقيق قابلية التشغيل البيني السلس مع الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية، وتبسيط الإعداد والعمل التشخيصي وتحسين كفاءة الصيانة.
ومع ذلك، لكي تتكيف الشبكات اللاسلكية مع إنترنت الأشياء الصناعية، يجب أيضًا أن تتكيف شبكات مستشعرات Bluetooth بشكل موثوق مع ظروف النشر القاسية، وتقليل استهلاك الطاقة، وتحسين فعالية التكلفة، وتبسيط الصيانة.
بناء شبكة IIoT باستخدام وحدات BLE من الدرجة الصناعية
باستخدام وحدة XBee 3 BLU BLE 5.4 ومجموعة التطوير من Digi، يمكن للمصممين نشر شبكات IIoT اللاسلكية بسرعة وبشكل مباشر. تحتوي هذه الوحدة على نطاق درجة حرارة صناعي يتراوح من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية وتعمل في وضع الخمول والنوم، وبالتالي تلبي متطلبات الموثوقية واستهلاك الطاقة. يبلغ الاستهلاك الحالي لجهاز XBee 3 BLU 7.5 مللي أمبير (mA) و8 ميكرو أمبير (μA) على التوالي، وهو ما يمكن أن يدعم التثبيت طويل المدى لأجهزة الاستشعار عن بعد في المواقع التي يصعب الوصول إليها، لذلك يمكن الحصول على معلومات قيمة دون الحاجة إلى استبدال البطارية بشكل منتظم.
تشمل الميزات الأخرى ما يلي:
الحد الأقصى لمعدل نقل البيانات هو 2 ميجابت في الثانية (Mb/s)، مما يوفر فهمًا تفصيليًا لتشغيل الآلات المعقدة
الحد الأقصى لطاقة الإرسال هو +8 ديسيبل مللي واط (dBm)، والتي يمكنها تحقيق اتصال عالي الدقة ضمن نطاق رؤية مباشر يصل إلى 15 مترًا في الداخل أو ما يصل إلى 300 متر في الخارج
13 مدخلاً رقميًا/مخرجًا و4 محولات تناظرية إلى رقمية (ADCs) 4 10 بت، وتكامل مرن مع الأجهزة المختلفة وواجهات الاستشعار
مصدر طاقة من 1.71 فولت إلى 3.8 فولت، اختيار مرن لإمدادات الطاقة
Digi TrustFence Security لحماية الجهاز والشبكة، بما في ذلك التمهيد الآمن ومنافذ الأجهزة المحمية ومصادقة الجهاز
تتيح إمكانية برمجة MicroPython المتقدمة التطوير السريع لأنظمة معالجة البيانات واتخاذ القرار على الأجهزة
حصلنا على شهادات تنظيمية شاملة من أمريكا الشمالية (FCC وIC) وأوروبا (ETSI)