Está provado que as redes de sensores da Internet das Coisas (IoT) podem melhorar a eficiência ao utilizar dados em tempo real e reduzir o tempo de inatividade através da manutenção preditiva, mudando assim as regras do jogo para automação industrial, energia renovável e sistemas de iluminação inteligentes. No entanto, à medida que o sistema é equipado com cada vez mais nós de sensores sem fio, os projetistas enfrentarão o desafio de como expandir de forma confiável essas redes da Internet Industrial das Coisas (IIoT) em ambientes hostis, ao mesmo tempo que minimizam os custos operacionais e de implementação, abordam problemas de congestionamento da rede e garantem a segurança.
Este artigo descreve os vários problemas que os designers enfrentam ao expandir as redes IIoT. Em seguida, apresente o módulo Bluetooth de baixo consumo (BLE) e o kit de desenvolvimento da Digi e explique como resolver de forma rápida e eficaz os problemas acima usando esses produtos.
Desafios enfrentados na expansão da infraestrutura de IoT sem fio
A IIoT envolve uma ampla gama de áreas de aplicação, entre as quais a recolha de dados é crucial para melhorar a eficiência e a previsibilidade. Tomando a iluminação inteligente como exemplo, os sensores sem fio coletam dados de luz ambiente e ocupação, ajustam o uso em tempo real e economizam o consumo de energia e custos relacionados.
Da mesma forma, as aplicações de energia renovável utilizam redes remotas de sensores IoT para monitorar várias fontes de energia, como energia solar e eólica. Esses sistemas de monitoramento de rede monitoram o status e o desempenho, prevêem falhas e ajustam dinamicamente o fornecimento de energia da rede.
Tal como outros campos que utilizam tecnologia de automação industrial, a recolha de dados de peças móveis é fundamental para implementar a manutenção preditiva. A instalação de centenas de sensores sem fio em todo o sistema industrial pode fornecer informações de dados refinadas, otimizando assim os processos, reduzindo o trabalho de manutenção e diminuindo os custos operacionais. No entanto, à medida que a escala das redes de sensores se expande, podem surgir problemas de desempenho, tais como
Interferência: Os ambientes industriais são normalmente afetados por interferência eletromagnética (EMI) de alto nível gerada por motores, fontes de alimentação comutadas e equipamentos de soldagem a arco. Este EMI pode causar redução intermitente na taxa de transmissão de dados, o que afeta seriamente a transmissão eficaz de dados.
Superlotação da rede: operar vários dispositivos sem fio próximos pode causar saturação da rede, resultando em maior latência e interrupções de conexão, o que pode dificultar a detecção em tempo real e aumentar o consumo de energia.
Segurança: Os ataques de hackers são uma grande ameaça a infraestruturas críticas, como energia ou logística, portanto as redes de sensores devem ter uma segurança forte. No entanto, à medida que o número de endpoints aumenta, o número de vulnerabilidades também aumenta.
Outro desafio é integrar sensores sem fio com protocolos industriais padrão. Essa integração pode envolver reformatação e compactação de dados para reduzir o tráfego de rede; No entanto, estes processos precisam de ser realizados em dispositivos e, à medida que o número de sensores e protocolos aumenta, os custos e o consumo de energia também aumentarão rapidamente. Além disso, o número de sensores no local está aumentando constantemente, tornando o trabalho de manutenção cada vez mais complexo, pois é necessária uma manutenção não preditiva dos sensores, seja por mau funcionamento ou simplesmente pela substituição da bateria.
A tecnologia Bluetooth brilha na IIoT em grande escala
Entre os vários protocolos sem fio IIoT, o Bluetooth é uma solução poderosa que pode resolver uma série de problemas à medida que as redes de sensores se expandem. Por exemplo, ao usar salto de frequência adaptativo (AFH), a tecnologia Bluetooth pode melhorar sua capacidade anti-interferência. AFH dividirá os dados em pequenos pacotes e os transmitirá através de múltiplas frequências, e então os recombinará na extremidade receptora. Qualquer pacote de dados perdido será reenviado após o envio de um relatório de perda para garantir a confiabilidade da comunicação e evitar a perda de informações longas devido a interferência eletromagnética.
Para evitar congestionamento excessivo da rede, a tecnologia Bluetooth suporta o controle da potência de transmissão relativa ao receptor após a conexão ser estabelecida. Este método, combinado com AFH, ajuda a economizar energia e ao mesmo tempo minimiza a EMI, permitindo que centenas de dispositivos sem fio operem no mesmo espaço. Além disso, a tecnologia Bluetooth também reduz as vulnerabilidades de segurança usando criptografia poderosa e protocolos de verificação elásticos.
Na implantação da IIoT, redes de sensores Bluetooth em grande escala se comunicam principalmente por meio de gateways projetados especificamente para emparelhamento com vários dispositivos. Ao construir nós de sensores em torno do Bluetooth, os desenvolvedores podem obter interoperabilidade perfeita com smartphones e tablets, simplificando o trabalho de configuração e diagnóstico e melhorando a eficiência da manutenção.
No entanto, para que as redes sem fio se adaptem à IIoT, as redes de sensores Bluetooth também devem se adaptar de forma confiável às condições adversas de implantação, reduzir o consumo de energia, melhorar a relação custo-benefício e simplificar a manutenção.
Construindo uma rede IIoT usando módulos BLE de nível industrial
Ao usar o módulo XBee 3 BLU BLE 5.4 e o kit de desenvolvimento da Digi, os designers podem implantar redes IIoT sem fio de forma rápida e direta. Este módulo possui uma faixa de temperatura de nível industrial de -40°C a+85°C e opera nos modos inativo e de suspensão, atendendo assim aos requisitos de confiabilidade e consumo de energia. O consumo de corrente do dispositivo XBee 3 BLU é de 7,5 miliamperes (mA) e 8 microamperes (µ A), respectivamente, o que pode suportar a instalação a longo prazo de sensores remotos em locais de difícil acesso, para que informações valiosas possam ser obtidas sem a necessidade de substituição regular da bateria.
Outros recursos incluem:
A taxa máxima de transmissão de dados é de 2 megabits por segundo (Mb/s), o que fornece uma compreensão detalhada da operação de máquinas complexas
A potência máxima de transmissão é de +8 decibéis miliwatts (dBm), o que pode alcançar comunicação de alta fidelidade dentro de um alcance de visão direta de até 15 metros em ambientes internos ou até 300 metros em ambientes externos.
13 entradas/saídas digitais e 4 entradas de conversores analógico-digitais (ADCs) de 10 bits, integração flexível com diferentes dispositivos e interfaces de sensores
Fonte de alimentação de 1,71 V a 3,8 V, seleção flexível de fonte de alimentação
Digi TrustFence Security para proteção de dispositivos e redes, incluindo inicialização segura, portas de hardware protegidas e autenticação de dispositivos
A programabilidade avançada do MicroPython permite o rápido desenvolvimento de processamento de dados e sistemas de tomada de decisão em dispositivos
Obteve certificações regulatórias abrangentes da América do Norte (FCC, IC) e Europa (ETSI)