لقد أثبتت شبكات أجهزة استشعار إنترنت الأشياء (IoT) أنها تغيرت لعبة الأتمتة الصناعية،الطاقة المتجددة وأنظمة الإضاءة الذكية من خلال تحسين الكفاءة مع البيانات في الوقت الحقيقي وتقليل وقت التوقف من خلال الصيانة التنبؤيةومع ذلك، كما يتم تجهيز الأنظمة مع المزيد والمزيد من عقدة المستشعرات اللاسلكية،سيواجه المصممون تحدي توسيع شبكات الإنترنت الصناعي للأشياء (IIoT) هذه بشكل موثوق في البيئات القاسية مع تقليل تكاليف التنفيذ والتشغيل إلى أدنى حد، معالجة ازدحام الشبكة وضمان الأمن.
توفر هذه الورقة لمحة عامة عن المشاكل المختلفة التي يواجهها المصممون في توسيع شبكات IIoT.ثم يتم تقديم وحدة بلوتوت منخفضة الطاقة (BLE) من Digi ومجموعة التطوير لتوضيح كيف يمكن لهذه المنتجات حل المشاكل المذكورة أعلاه بسرعة وفعالية.
التحديات في توسيع بنية تحتية إنترنت الأشياء اللاسلكية
تغطي IIoT مجموعة واسعة من التطبيقات حيث اكتساب البيانات أمر ضروري لتحسين الكفاءة والقدرة على التنبؤ.أجهزة الاستشعار اللاسلكية تجمع بيانات الضوء المحيطي ومعدل الإشغال، وتعديل الاستخدام في الوقت الحقيقي لتوفير استهلاك الطاقة والتكاليف ذات الصلة.
وبالمثل، تستخدم تطبيقات الطاقة المتجددة شبكة أجهزة استشعار IOT عن بعد لمراقبة مصادر الطاقة المختلفة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.هذه الشبكات تراقب حالة وأداء النظام، التنبؤ بالخلل والتنظيم الديناميكي لتزويد الشبكة.
كما هو الحال في مجالات أخرى حيث يتم استخدام تكنولوجيا الأتمتة الصناعية، فإن جمع البيانات من الأجزاء المتحركة هو مفتاح أداء الصيانة التنبؤية.مئات أجهزة استشعار لاسلكية مثبتة في جميع أنحاء النظام الصناعي، توفير معلومات بيانات دقيقة لتحسين العمليات، والحد من الصيانة، وخفض تكاليف التشغيل. ومع ذلك، مع توسع حجم شبكة المستشعرات،قد تكون هناك مشاكل تؤثر على الأداء، مثل
الاضطرابات: غالبًا ما تتأثر البيئات الصناعية بمستويات عالية من التداخلات الكهرومغناطيسية (EMI) الناتجة عن المحركات ومصادر الطاقة ذات الوضع التبديلي ومعدات لحام القوس.هذا الـ EMI يؤدي إلى انخفاض متقطع في معدل نقل البيانات، والتي يمكن أن تؤثر بشكل خطير على نقل البيانات الفعال.
الاكتظاظ الشبكي: تشغيل أجهزة لاسلكية متعددة بالقرب من بعضها البعض يمكن أن يسبب تشبع الشبكة ، مما يؤدي إلى زيادة فترة الكمون وانقطاع الاتصال ،والتي يمكن أن تعيق الكشف في الوقت الحقيقي وتزيد من استهلاك الطاقة. - غ.
الأمن: هجمات القراصنة تشكل خطرا على البنية التحتية الحيوية، مثل الطاقة أو الخدمات اللوجستية، لذلك يجب أن تكون شبكات الاستشعار آمنة بشكل قوي. ومع ذلك، مع زيادة عدد نقاط النهاية،عدد نقاط الضعف يزداد.
تحدي آخر هو دمج أجهزة الاستشعار اللاسلكية مع البروتوكولات الصناعية القياسية. قد يتضمن هذا التكامل إعادة تنسيق وتضخيم البيانات لتقليل حركة الشبكة.هذه العمليات يجب أن تتم على الجهاز، وتتصاعد التكاليف واستهلاك الطاقة بسرعة مع زيادة عدد أجهزة الاستشعار والبروتوكولات.عدد متزايد من أجهزة الاستشعار في الميدان أدى إلى صيانة أكثر تعقيدا بسبب عدم القدرة على التنبؤ صيانة أجهزة الاستشعارسواء كان ذلك فشل أو مجرد استبدال البطارية.
تقنية بلوتوث في IIoT على نطاق واسع
من بين العديد من بروتوكولات IIoT اللاسلكية ، تعد Bluetooth حلًا قويًا لحل مجموعة من المشاكل مع توسع شبكة المستشعرات. على سبيل المثال ، باستخدام قفز التردد التكيفي (AFH) ، يمكن لـ Bluetooth أن تسمح لك بمواصلة استخدامها.تكنولوجيا بلوتوث تحسن مناعةيقوم جهاز AFH بتقسيم البيانات إلى حزم صغيرة ويعدها عبر ترددات متعددة ثم يجمعها في الطرف المتلقي.يتم إعادة إرسال أي حزم ضائعة بعد إرسال تقرير الضياع لضمان موثوقية الاتصال ومنع فقدان معلومات طويلة بسبب التداخل الكهرومغناطيسي.
لتجنب الاكتظاظ الشبكي، تدعم تقنية بلوتوث التحكم في قوة الإرسال بالنسبة للمستقبل بعد إنشاء الاتصال. هذا النهج، جنبا إلى جنب مع AFH،يساهم في توفير الطاقة مع تقليل EMI إلى الحد الأدنى، مما يسمح لمئات الأجهزة اللاسلكية بالعمل في نفس المساحة.تقنية بلوتوث تقلل من نقاط الضعف الأمنية باستخدام بروتوكولات تشفير قوية وتحقق مرنة.
في عمليات توزيع IIoT، تتواصل شبكة أجهزة الاستشعار Bluetooth على نطاق واسع بشكل رئيسي من خلال بوابات مصممة للتزاوج مع أجهزة متعددة. من خلال بناء عقدة أجهزة الاستشعار حول Bluetooth،يمكن للمطورين تحقيق التشغيل المشترك السلس مع الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية، وبالتالي تبسيط الإعداد والتشخيص وتحسين كفاءة الصيانة.
ومع ذلك ، من أجل أن تتكيف الشبكات اللاسلكية مع IIoT ، يجب أن تتكيف شبكات أجهزة الاستشعار Bluetooth أيضًا بثقة مع ظروف التنفيذ القاسية ، وتخفيض استهلاك الطاقة ، وزيادة فعالية التكلفة ،وتبسيط الصيانة.
بناء شبكات IIoT مع وحدات BLE ذات المستوى الصناعي
باستخدام وحدة XBee 3 BLU BLE 5.4 من Digi ومجموعة التطوير ، يمكن للمصممين نشر شبكات IIoT اللاسلكية بسرعة ومباشرة.الموديل لديه نطاق درجة الحرارة الصناعية من - 40 ° C إلى + 85 ° C ويستخدم أنماط التشغيل العاطلة والخاملة لتلبية متطلبات الموثوقية واستهلاك الطاقةإن استهلاك جهاز XBee 3 BLU الحالي هو 7.5 mA (mA) و 8 microampere (μ A) على التوالي ، والتي يمكن أن تدعم تثبيت أجهزة الاستشعار عن بعد على المدى الطويل في المواقع الصعبة ،لذا يمكن الحصول على معلومات قيمة دون استبدال البطارية الدورية.
وتشمل الخصائص الأخرى:
الحد الأقصى لسرعة نقل البيانات هو 2 ميجابيت في الثانية (Mb / s) ، والتي توفر معلومات مفصلة عن تشغيل الآلات المعقدة
أقصى طاقة إرسال هي + 8 dB مليواط (dBm) ، والتي يمكن أن تحقق الاتصالات عالية الدقة في نطاق الرؤية المباشرة من 15 متر (م) في الداخل أو 300 متر في الهواء الطلق
مدخلات إدخال / إخراج رقمية و 4 مدخلات ADC 10 بت لدمج مرن مع واجهات أجهزة وأجهزة استشعار مختلفة
إمدادات الطاقة من V إلى 3.8 فولت، اختيار طاقة مرنة
Digi TrustFence الأمن لحماية الجهاز والشبكة، بما في ذلك بدء التشغيل الآمن، وموانئ الأجهزة المحمية والتحقق من الجهاز
القدرة على البرمجة الدقيقة المتطورة لتطوير أسرع لأنظمة معالجة البيانات والقرار على الجهاز
منظم بالكامل في أمريكا الشمالية (FCC ، IC) وأوروبا (ETSI)