Hur man implementerar säkra och robusta trådlösa anslutningar för smart energi och infrastruktur

Trådlös kommunikation, inklusive lokala nätverk och molnanslutning, är viktiga grundelement i en rad smarta energi- och infrastruktursystem, vilket inkluderar energimätare, kritisk infrastruktur, miljövänliga energisystem, elfordon, modernisering av elnätet, det smarta nätet och smarta städer. Tillämpningarna omfattar ofta anslutningar i molnkanten och kräver låg latens, förutsägbar och säker kommunikation som kan stödjas med IEEE 802.15.4, Zigbee, Bluetooth och andra protokoll. I vissa fall kan de dra nytta av ett trådlöst protokoll med låg effekt och hög genomströmning som t.ex. standarden IEEE 802.11 g/n där nätverk utomhus, och inom ett avstånd på 300 m, kan tillhandahålla hög datahastighet .

Dessutom måste dessa trådlösa enheter uppfylla standarder som FCC (Federal Communications Commissions) i USA, ETSI (European Telecommunications Standards Institute), EN 300 328 och EN 62368-1 i Europa, ISED (Innovation, Science and Economic Development) i Kanada, MIC (Ministry of Internal Affairs and Communications) i Japan, med flera. Det kan vara tidskrävande att konstruera trådlösa anslutningar och få de certifieringar som krävs, vilket leder till ökade kostnader och längre tid innan de når marknaden. Istället kan konstruktörer använda sig av förkonstruerade, certifierade, trådlösa kommunikationsmoduler och utvecklingsplattformar som enkelt kan integreras i smarta energi- och infrastrukturprodukter.

Artikeln inleds med en genomgång av olika kommunikationsalternativ och arkitekturer för lokala nätverk och molnanslutningar, inklusive kabelanslutna och trådlösa nätverksalternativ. Därefter visas flera trådlösa plattformar från Digi, Silicon Labs, Laird Connectivity, Infineon och STMicroelectronics för distribution av säkra och robusta, trådlösa, anslutningar för smarta energi- och infrastrukturlösningar, inklusive utvecklingsmiljöer för att påskynda konstruktionsprocessen.

Stora möjligheter och utmaningar

Med stora utmaningar följer ofta stora möjligheter. Det är definitivt fallet när man använder smarta energi- och infrastrukturlösningar i smarta städer. För det första måste befintlig och åldrande infrastruktur integreras på ett rationellt sätt. Därefter måste geografiskt utspridda och tekniskt heterogena nät byggas ut så att de är både effektiva och robusta. Slutligen förväntas nätverken vara flexibla nog att hantera framtida teknologisk utveckling, t.ex. utvecklingen av smarta och uppkopplade fordon.

Avancerade automatiserade trafikstyrningssystem kan till exempel öka säkerheten, förbättra energianvändningen och minska miljöpåverkan från bilar, bussar och andra fordon. I det här fallet är det centrala trafikledningssystemet anslutet till nätverket via fiber med hög bandbredd och trådlösreturkanaler. Andra systemkomponenter kan vara (figur 1):

• Ethernet- och mobilroutrar som stöder IP-aktiverade enheter på lokal nivå. I vissa fall läggs PoE (Power over Ethernet) till för att utöka nätverkets funktionalitet och kontrollera kostnaderna.
• Äldre utrustning kan integreras genom särskilda anslutningar och seriella portar.
• Lokala WiFi- och Bluetoothenheter kan övervaka trafiktäthet och fotgängare med pseudonymiserad data. Uppgifterna kan analyseras lokalt och skickas till det centrala trafikledningssystemet för beslutsfattande och för övervakning på högre nivå.
• En kombination av trafikkameror, sensorer som t.ex.radar eller ljusradar (lidar) och andra datakällor används av ASTC (advanced solid state traffic controllers) och flyttas till den centrala ledningscentralen för optimering av trafikflöden i realtid.

Figur 1: Automatiserad trafikledning i en smart stad omfattar allt från att detektera fotgängare och fordon med hjälp av WiFi till trafikkameror och ASTC-styrningar samt en central trafikledning och övervakningscentral. (Bildkälla: Digi)

Den samlade energieffektiviteten, den allmänna säkerheten och den minskade miljöpåverkan från vägarna i städerna kan förbättras med hjälp av att:

• Upptäcka och minimera trafikstockningar genom att ändra trafikflöden och signaltider i nästan realtid med en kombination av lokala och centraliserade styrningar.
• Anpassa tiderna för signalerna för att stödja effektiv och tidsenlig drift av bussar och andra former av kollektivtrafik.
• Optimera räddningstjänstens färdväg i realtid för att snabba på deras ankomst och minimera den totala inverkan på den allmänna säkerheten.

Framtidens smarta städer

Dagens smarta städer är alltjämt ett pågående arbete. Det finns gott om möjligheter till förbättringar och framsteg. Framtidens smarta städer kommer i allt högre grad fokusera på integrerad energieffektivitet och förbättrad livskvalitet. Elektriska fordon (e-fordon) och smarta eller autonoma fordon kommer att bli normen. De kommer att integreras i smarta bostäder, smart laddningsinfrastruktur, smarta leveranssystem och genom hela transportsektorn, inklusive tåg, spårvagnar och bussar, samt elektriska robottaxibilar för "de sista kilometrarna".

Invånarna kommer att använda smartphones för allt fler ändamål, bland annat för att köpa buss- och tågbiljetter, vilket påskyndar processen och minskar transporternas miljöpåverkan ytterligare. E-fordon kommer fortsatt vara viktigast när det kommer till transporter, men inte det enda.

Kommersiella fordon som lastbilar, bussar, budbilar och arbetsfordon står för ungefär en fjärdedel av koldioxidutsläppen (CO₂) i en stad och ungefär fem procent av de totala utsläppen av växthusgaser, enligt Infineon. Integrerad infrastruktur för laddning måste utvecklas för att rymma de allt större batterierna i dessa kommersiella fordon, utöver laddning av personbilar och elcyklar. Infrastrukturen måste kopplas ihop och vara centralstyrd för att maximera laddningshastigheten för de olika fordonen och deras användningsområden.

För att stöda minskad miljöpåverkan, förbättrad livskvalitet och effektiv energianvändning kommer det behövas avancerade, trådlösa realtidsnätverk som övervakar driften av utspridda förnybara energikällor, mikronät, energilagring, optimerad energianvändning, hantering av vatten- och avloppsvatten samt hantering av ett stort urval av transportfunktioner och andra system. Realtidsnätverken måste vara robusta och ha minimal latens (figur 2). För att stödja infrastrukturen i smarta städer behöver konstruktörer verktyg som möjliggör snabb utveckling, installation och uppdatering av komplexa kommunikationsnätverk och anslutna enheter.

Figur 2: Smarta stadstjänster kommer att vara beroende av robusta, trådlösa realtidsnätverk för att ansluta olika tillämpningar. (Bildkälla: Infineon)

Säker nätverksanvändning med trådlösa moduler

För att snabbt kunna införa säkra nätverk kan konstruktörer använda sig av XBee RR Wireless Modules från Digi som är baserade på den trådlösa systemkretsen EFR32MG21B020F1024IM32-BR från Silicon Labs och innehåller en 80 MHz ARM Cortex-M33-kärna och ett integrerat delsystem för säkerhet. XBee-moduler utnyttjar flera trådlösa protokoll och frekvensband som t.ex. Zigbee, 802.15.4 och DigiMesh samt Bluetooth low energy (BLE) för att stödja ett stort antal olika nätverksarkitekturer. DigiMesh är ett peer-to-peer-protokoll för mesh-nätverk som kan minska komplexiteten med Zigbee i konfigurationer för punkt-till-multipunkt-anslutningar. Modulerna stöder BLE och anslutning till en annan BLE-enhet.

Smartphone-anslutningar kan användas för att konfigurera och programmera modulerna med hjälp av mobilappen från XBee. Dessutom kan utvecklare använda konfigurationsplattformen XCTU, som är kompatibel med Windows, MacOS och Linux. XCTU använder en grafisk nätverksvy för att förenkla konfigurationen av trådlösa nätverk samt ett utvecklingsverktyg för att snabbt bygga XBee API-ramverk. Andra funktioner och alternativ i modulerna är bland annat:

• Kapslingsalternativen omfattar: mikromonterade enheter på 13 x 19 mm som t.ex. XBRR-24Z8UM, ytmonterade moduler som t.ex. XBRR-24Z8PS-J och hålmonterade konfigurationer som t.ex. XBRR-24Z8ST-J (figur 3).
• PRO-versionen är FCC-certifierad för användning i Nordamerika, och standardversionen uppfyller ETSI-standarder för användning i Europa.
• Konfigurationer av moduler med låg och hög effekt
• Räckvidden inomhus/i stadsmiljö är upp till 90 m (300 fot), beroende på miljöförhållanden
• Beroende på miljöförhållanden kan räckvidden utomhus, vid fri sikt, vara upp till 3200 m (2 miles)
• Integrerad säkerhetsapp för IoT förenklar integrationen av enhetssäkerhet, komponentidentitet och dataintegritet

Figur 3: Varianterna av trådlösa XBee-moduler från Digi inkluderar mikromontering (vänster), ytmontering (mitten) och hålmontering (höger). (Bildkälla: DigiKey)

Smarta gateways

Modulerna Sterling LWB+ från Laird Connectivity, som t.ex. 453-00084R, är högeffektiva kombinationsmoduler med 2,4 GHz WLAN och Bluetooth som är konstruerade för trådlösa IoT-enheter och smarta gateways. De är baserade på radiokretsen AIROC CYW43439 från Infineon och har ett driftstemperaturområde på -40 °C till +85 °C vilket gör dem lämpliga för en rad smarta tillämpningar i samhällsfunktioner, städer och inom elenergi. Sterling LWB+-moduler innehar globala certifieringar, inklusive FCC, ISED, EU, MIC och AS/NZS.

Sterling LWB+-modulerna innefattar MAC (medium access control), basband och radio samt en oberoende UART med hög hastighet för gränsnitt med Bluetooth. Laird Connectivity och Infineon stöder de senaste drivrutinerna för Android och Linux. Den integrerade kretskortsantennen är okänslig mot omjusteringar och förenklar systemkonstruktion och tillverkning. Serien Sterling LWB+ är ett SiP-system (system in package) och finns tillgänglig med ett spårningsstift, integrerad kretskortsantenn eller MHF4-kontakt. De innehåller även krypteringen WPA/WPA2/WPA3. Modulerna finns i fyra olika kapslingar för att uppfylla behoven i olika systemkonstruktioner och tillämpningskrav (figur 4).

Figur 4: Grundmodell av Sterling LWB+ SIP (vänster), modul med MHF-kontakt (andra från vänster), modul med integrerad antenn (tredje från vänster) och kortkantskontakt (höger). (Bildkälla: Laird Connectivity)

Sterling-LWB+ innehåller en säker, högeffektiv, digital in- och utgång (SDIO) som stöder enkel integration med alla system som baseras på Linux eller Android. För att påskynda utvecklingen av trådlösa IoT-enheter och smarta gateways kan konstruktörer använda sig av utvecklingssatsen 453-00084-K1, som innehåller modulen 453-00084R med en integrerad MHF-kontakt (Figur 5).

Figur 5: Utvecklingskortet är utrustad med modulen Sterling LWB+ 453-00084R från Laird med en integrerad MHF-kontakt (Bildkälla: Laird Connectivity).

Trådlösa givarnoder av industriell kvalitet

Trådlösa givarnoder är en viktig del av smart infrastruktur i smarta städer. För att hjälpa konstruktörer att hantera svårigheterna i att snabbt tillverka, ta fram prototyper och testa avancerade trådlösa givarnoder finns utvecklingssatsen och referenskonstruktionen STEVAL-STWINKT1B för SensorTile från STMicroelectronics att tillgå. Den innehåller expansionskortet X-NUCLEO-SAFEA1A som stöder autentisering av enheter med IoT och säker informationshantering, en BLUENRG-M2SA transceivermodul med Bluetooth samt en IMP23ABSUTR MEMS-mikrofon. MEMS-mikrofonen är konstruerad för användning tillsammans med den inbyggda microcontrollern, som har extremt låg effekt, för vibrationsanalys av 9 frihetsgrader (DoF) rörelsedetekteringsdata inom ett stort spektrum av vibrationsfrekvenser, från 35 Hz upp till ultraljud. Den innehåller också en accelerometer, ett gyroskop, en fuktighetsgivare, en magnetometer samt tryck- och temperaturgivare.

Utvecklingssatsen SensorTile inkluderar tillgång till en rad programpaket, bibliotek för firmware samt kontrollpaneltillämpningar i molnet för att påskynda utvecklingen av omfattande IoT-givarsystem från början till slut. En integrerad modul tillhandahåller BLE-anslutning, RS484-transceivern stöder kabelanslutningar och plugin-expansionskortet STEVAL-STWINWFV1 ger WiFi-anslutning. Huvudkortet har en kontakt för STMod+ för att ansluta tilläggskort med litet format baserade på STM32-familjen av microcontrollers. Slutligen består utvecklingssatsen av ett litium-polymerbatteri på 480 mAh, en STLINK-V3MINI-probe för fristående felsökning och programmering samt en plastlåda (figur 6).

Figur 6: Utvecklingssatsen och referenskonstruktionen STEVAL-STWINKT1B för SensorTile innehåller en omfattande mängd miljögivare samt stöd för flera anslutningsalternativ. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Sammanfattning

En mängd protokoll för trådlös anslutning krävs för att stödja behoven hos smarta energi- och infrastruktursystem i smarta städer. Systemen kan öka energieffektiviteten, förbättra den allmänna säkerheten, stödja effektivare vatten- och energianvändning samt minska utsläppen av koldioxid (CO₂) och växthusgaser. Det finns en mängd olika trådlösa moduler och utvecklingsmiljöer för trådlösa protokoll, med låg energiförbrukning, som t.ex WiFi, Zigbee och Bluetooth som kan ge den säkra och robusta uppkoppling som behövs för smart energi och infrastruktur i smarta städer.