As redes de sensores da Internet das Coisas (IoT) provaram mudar o jogo da automação industrial, das energias renováveis e dos sistemas de iluminação inteligentes, melhorando a eficiência com dados em tempo real e reduzindo o tempo de inatividade através da manutenção preditiva. No entanto, à medida que os sistemas são equipados com cada vez mais nós de sensores sem fio, os projetistas enfrentarão o desafio de 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 o congestionamento da rede e garantem a segurança.
Este artigo fornece uma visão geral dos vários problemas enfrentados pelos projetistas na expansão de redes IIoT. O módulo Bluetooth de baixa potência (BLE) e o kit de desenvolvimento da Digi são então apresentados para ilustrar como esses produtos podem resolver de forma rápida e eficaz os problemas acima.
Desafios na expansão da infraestrutura de IoT sem fio
A IIoT abrange uma ampla gama de aplicações onde a aquisição de dados é essencial para melhorar a eficiência e a previsibilidade. Tomando como exemplo a iluminação inteligente, os sensores sem fio coletam dados de luz ambiente e taxa de ocupação e ajustam o uso em tempo real para economizar o consumo de energia e custos relacionados.
Da mesma forma, as aplicações de energia renovável utilizam uma rede remota de sensores IOT para monitorar várias fontes de energia, como energia solar e eólica. Estas redes monitorizam o estado e o desempenho do sistema, prevêem falhas e regulam dinamicamente o fornecimento da rede.
Tal como acontece com outras áreas onde a tecnologia de automação industrial é utilizada, a coleta de dados de peças móveis é fundamental para realizar a manutenção preditiva. Centenas de sensores sem fio estão instalados em todo o sistema industrial, fornecendo informações de dados refinadas para otimizar processos, reduzir manutenção e reduzir custos operacionais. No entanto, à medida que o tamanho da rede de sensores se expande, podem surgir problemas que afetem o desempenho, como
Perturbação: Os ambientes industriais são frequentemente afetados por altos níveis de interferência eletromagnética (EMI) gerada por motores, fontes de alimentação comutadas e equipamentos de soldagem a arco. Este EMI causa uma redução intermitente na taxa de transmissão de dados, o que pode afetar 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 impedir a detecção em tempo real e aumentar o consumo de energia.- g.
Segurança: os ataques de hackers são um perigo para infraestruturas críticas, como energia ou logística, pelo que as redes de sensores devem ter uma segurança robusta. No entanto, à medida que o número de endpoints aumenta, o número de vulnerabilidades aumenta.
Outro desafio é integrar sensores sem fio com protocolos industriais padrão. Esta integração pode envolver a reformatação e compactação de dados para reduzir o tráfego de rede; No entanto, esses processos precisam ser executados no dispositivo, e os custos e o consumo de energia aumentam rapidamente à medida que aumenta o número de sensores e protocolos. Além disso, o número crescente de sensores em campo tem levado a manutenções cada vez mais complexas devido à imprevisibilidade da manutenção dos sensores, seja uma falha ou apenas a substituição da bateria.
Tecnologia Bluetooth em IIoT em grande escala
Entre os muitos protocolos sem fio IIoT, o Bluetooth é uma solução poderosa para resolver uma série de problemas à medida que a rede de sensores se expande. Por exemplo, ao usar salto de frequência adaptativo (AFH), a tecnologia Bluetooth melhora a imunidade. O AFH divide os dados em pequenos pacotes e os transmite em múltiplas frequências e depois os recombina na extremidade receptora. Quaisquer pacotes perdidos são retransmitidos 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 a superlotação da rede, a tecnologia Bluetooth suporta o controle da potência de transmissão relativa ao receptor após a conexão ser estabelecida. Esta abordagem, combinada com AFH, contribui para a poupança de energia e minimiza a EMI, permitindo que centenas de dispositivos sem fios operem no mesmo espaço. Além disso, a tecnologia Bluetooth reduz as vulnerabilidades de segurança usando criptografia poderosa e protocolos de verificação resilientes.
Nas implantações de IIoT, a rede de sensores Bluetooth em grande escala se comunica principalmente por meio de gateways projetados para combinar com vários dispositivos. Ao construir nós de sensores em torno do Bluetooth, os desenvolvedores podem obter interoperabilidade perfeita com smartphones e tablets, simplificando assim a configuração e o 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, aumentar a relação custo-benefício e simplificar a manutenção.
Construindo redes IIoT com módulos BLE BLE de nível industrial
Usando 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. O módulo tem uma faixa de temperatura industrial de -40°C a+85°C e usa modos de operação inativos e inativos para atender aos requisitos de confiabilidade e consumo de energia. O consumo de corrente do dispositivo XBee 3 BLU é de 7,5 mA (mA) e 8 microamperes (µ A), respectivamente, o que pode suportar a instalação a longo prazo de sensores remotos em locais difíceis, para que informações valiosas possam ser obtidas sem a substituição periódica da bateria.
Outros recursos incluem:
A taxa máxima de transmissão de dados é de 2 megabits por segundo (Mb/s), o que fornece informações detalhadas sobre o funcionamento de máquinas complexas
A potência máxima de transmissão é de +8 dB miliwatts (dBm), que pode realizar comunicação de alta fidelidade dentro do alcance de visão direta de 15 metros (m) em ambientes internos ou 300 metros em ambientes externos
E/S digital e 4 entradas ADC de 10 bits para integração flexível com diferentes interfaces de dispositivos e sensores
Fonte de alimentação V a 3,8 V, seleção flexível de energia
Digi TrustFence Security para proteção de dispositivos e redes, incluindo inicialização segura, portas de hardware protegidas e verificação de dispositivos
Microprogramação de última geração para desenvolvimento rápido de processamento de dados e sistemas de decisão no dispositivo
Totalmente regulamentado na América do Norte (FCC, IC) e na Europa (ETSI)