Implementera en fjärrmobilmobilslutpunkt för industriellt IoT med en LTE-microcontroller och router

När IoT-tillämpningar expanderar måste även räckvidden för deras nätverk expanderas. Medan Wi-Fi, Bluetooth och Zigbee kan finnas tillgängliga för praktiska trådlösa nätverksfunktioner nära eller inuti en industrianläggning kräver vissa industriella IoT-nätverk fjärrövervakning och styrning av system på fältet. Dessa system kan finnas flera kilometer bort eller vara spridda över en stor yta – ofta på platser som är svåra och tidskrävande att nå för underhållsteknikerna. För dessa situationer är mobilnät den bästa trådlösa lösningen.

Den här artikeln förklarar behovet av fjärrdataövervakning och styrning via mobilnät i vissa IIoT-tillämpningar som befinner sig flera kilometer bort och beskriver fördelarna med en fjärr-IIoT-nod som måste spara ström med minimalt eller inget underhåll. Därefter presenteras en mobilmicrocontroller från Nordic Semiconductor som kan överföra data via ett LTE-nätverk till en mobilrouter som är monterad på en DIN-skena från Phoenix Contact.

Expanderat IIoT-nätverk

Konventionella IIoT-nätverk är finns på en enda plats, som en tillverkningsanläggning, automatiserat lager eller en utomhuspark. Nätverk till hubben kan kopplas som industriellt Ethernet eller trådlöst som i Wi-Fi eller Zigbee. Detta hanteras enkelt från en central plats där det är lätt att komma åt platsen för slutpunkterna i IIoT-nätverket vilket tillåter effektivt underhåll eller byten.

I takt med att IIoT har expanderat så har antalet användningssituationer också ökat. För ökad effektivitet och omedelbar kontroll över nätverken behöver anläggningschefer aktivt övervaka och styra fjärrsystem med minimal latens mellan fjärrsystemet och hubben på centralanläggningen. Transportsystem som tåg, tunnelbana och lastbilstransporter kan dra nytta av övervakning av olika sensorer på motorn eller elmotorn tillsammans med bränsle- och energiförbrukning, hastighet och avstånd, samt GPS-position för spårning och beräkning av ankomsttid. Dessa data skickas till huvudanläggningen eller företagets huvudkontor och analyseras. Datan kan användas nästan omedelbart för att spara tid och pengar genom att förbättra effektiviteten och hindra fel och därigenom minska kostnaderna samtidigt som tillförlitligheten ökas.

Olje- och gaspipelines kan utnyttja IIoT-nätverk genom att övervaka volym och tryck i rörledningen, tillsammans med miljöförhållanden som temperatur, barometervärden och luftfuktighet. Precisionsövervakning av GPS-lokalisering tillsammans med vibrations- och gyroskopsensorer kan upptäcka rörelser i rörledningen på grund av externa krafter som seismiska händelser. I vissa fall kan flödet genom rörledningen begränsas eller stoppas fjärrledes, som svar på en identifierad nödsituation som en jordbävning. Utrustningen kan utföra självdiagnos och resultaten skickas till fabriken för analys. Eftersom dessa pipelines kan finnas tusentals kilometer från huvudkontoret i tuffa miljöer, som kring polcirkeln, är det viktigt att ha ett kommunikationsnätverk i slutpunkten som är helt tillförlitligt.

Mobilbaserat IoT gör entré

För att uppfylla dessa behov har IIoT-nätverkstekniken utökats för att skicka data över befintliga LTE-mobilnätverk (long term evolution). Det innebär att IIoT-slutpunkten kan placeras nästan var som helst i världen där LTE-konnektivitet är tillgänglig, så länge en strömkälla kan utnyttjas och underhållas, med den ytterligare fördelen att kostnaden och arbetet med att underhålla mobilnätverket är mobiloperatörernas ansvar. Eftersom dessa system kan finnas på avlägsna, oövervakade platser som är svåra att nå, måste fjärrmobil-IIoT-slutpunkten vara tillförlitlig och stå emot hackning eller fysisk manipulering.

Det första steget mot ett tillförlitligt inbäddat system för IIoT är att hålla systemet enkelt samtidigt som effekten minimeras. Att hålla systemet enkelt minskar antalet möjliga felpunkter. Att sänka strömförbrukningen förbättrar tillförlitligheten genom att minska värmen, vilket förlänger livslängden för de flesta halvledarenheter och förbättrar batterilivslängden för batteridrivna IIoT-slutpunkter.

För att uppfylla dessa krav har Nordic Semiconductor lanserat en IoT-microcontroller med LTE-mobilteknik, nRF9160. nRF9160 förenklar utvecklingen av mobila IIoT-slutpunkter genom att införa ett komplett LTE-modem på kretsen som uppfyller de senaste mobila IoT- och M2M-datastandarderna (machine-to-machine) (figur 1).

<Figur 1: Nordic Semiconductors nRF9160 LTE-mobilmicrocontroller bygger på Arm® Cortex®-M33-kärnan. Den har alla periferienheter som behövs för att bygga en mobil IoT-slutpunkt inklusive ett LTE-modem och en GPS-modul. (Bildkälla: Nordic Semiconductor)

Nordic Semiconductors nRF9160 bygger på en 64 MHz Arm Cortex-M33-processorkärna som specifikt riktar in sig på strömsnåla IoT-tillämpningar. Cortex-M33 har stöd för encykliga MAC-operationer (multiply and accumulate) och har single-precision flyttalsinstruktioner, en hårdvarudelare och SIMD-operationer (single-instruction multiple data). Det här är användbart för snabb behandling av sensordata som i sensorfusionsberäkningar. Cortex-M33 är mycket förutsägbar även när lågenergilägen startas och avslutas, med stöd för realtidsdrift.

nRF9160-microcontrollern har 1 megabyte (Mbyte) flashminne i kretsen för applikationens fasta programvara och 256 Kb lågläcklage-RAM. Den har ett Arm TrustZone-subsystem för kryptografiska åtgärder inklusive AES-kryptering, en äkta slumpgenerator (TRNG) och säker lösenordshantering. Det är användbart för att verifiera krypterad datakommunikation samt avkänning av manipulerad fast programvara. Standardseriegränssnitt på kretsen inkluderar SPI, I²C och UART-portar för anslutning till externa sensorer och styrdon. En åttakanalig, integrerad 12-bitars (14-bitar med översampling) A/D-omvandlare är användbar för analog sensoravläsning.

nRF9160 har även en GPS-mottagare på kretsen som är optimerad för strömsnåla IoT-slutpunkter. Detta är särskilt användbart för mobila slutpunkter som lastbilar och tåg. Det är även användbart för system som oavsiktligt kan ändra läge på grund av seismisk aktivitet eller för avkänning av avsiktliga rörelser om slutpunkten har monterats på en flyttbar enhet, som robotutrustning. GPS-mottagaren delar kretsens RF-sändtagare med LTE-modemet. Om både LTE-modemet och GPS-mottagaren är aktiva är den delade RF-sändtagaren tidsmultiplexerad med GPS-modulen och LTE-modemet där LTE-modemet har prioritet.

LTE-modemet på nRF9160 består av en värdkontrollprocessor med dedikerat flash- och RAM-minne, en basbandsprocessor, en RF-sändtagare med ett externt 50 ohms (Ω) antennstift och ett SIM-kortgränssnitt. För ökad kommunikationstillförlitlighet har LTE-modemet egen diagnos och felsökning. LTE-modemet har stöd för strömsnåla M2M- och IoT-datakommunikationsprotokoll inklusive Cat-M1, Cat-NB1 och Cat-NB2.

För att utbyta data över ett LTE-nätverk behöver LTE-modemet ett standard-SIM-kort som innehåller det trådlösa nätverket, telefonnummer och abonnentinformation. nRF9160 LTE-värdprocessorn har ett externt UICC-gränssnitt (universal integrated circuit card), även kallat ett SIM-kortgränssnitt, för anslutning till aktiverade SIM-kort som är kompatibla med dataöverföringsstandarderna LTE-M eller NB-IoT (Narrowband IoT).

Varje nRF9160 LTE-slutpunkt kräver att ett SIM-kort köps med ett lämpligt dataabonnemang från en mobilleverantör. Ett SIM-kort och ett mobilabonnemang för nätverksanslutna IoT-enheter kan köpas från DigiKey. Abonnemang kan köpas med datamängder från 300 kB upp till 5 GB per månad.

nRF9160 kan användas från 3,0 till 5,5 volt, vilket gör den lämplig för användning med batteridrivna IIoT-slutpunkter med 3,7-volts litiumbatterier. Drift med 3,7 volt rekommenderas eftersom de flesta enhetsspecifikationer gäller för en matningsspänning på 3,7 volt. De flesta effektområden för periferienheterna och processormodulerna i nRF9160 kan konfigureras och strömtillförseln kan slås på och stängas av genom styrning med fast programvara. Detta tillåter utvecklarna att finjustera strömförbrukningen för att uppfylla specifika tillämpningskrav.

nRF9160 har ett strömsparläge (PSM) som försätter kärnan i viloläge (kärnans registerstatusar bevaras), och LTE-modemet och de flesta periferienheterna i av-läge. För en IIoT-slutpunkt som måste hålla ordning på tiden, drar nRF9160 endast 2,35 mikroampere (µA) med RTC i PSM-läge. En imponerande låg strömförbrukning för en batteridriven enhet.

GPS-modulen förbrukar hela 47 milliampere (mA) vid kontinuerlig spårning. Dock är det mer praktiskt att köra GPS:en i PSM-läge eftersom den endast drar ytterligare 12 mA. Detta är lämpligt för tåg och lastbilar som kräver kontinuerlig platsövervakning i realtid. Ett ännu mer ekonomiskt läge är att konfigurera GPS:en att ta en enskild fixpunkt varannan minut, vilket endast kräver 1,3 mA. Detta är lämpligt för fasta noder som endast behöver känna av tillfälliga rörelser.

Vid kommunikation med ett LTE-M-protokoll kan nRF9160 sända data så snabbt som 375 kbit/s. NB-IoT-protokollet med lägre hastighet håller 60 kbit/s. Dessa låga överföringshastigheter sparar ström samtidigt som tillförlitlig kommunikation upprätthålls mellan slutpunkten och hubben. LTE-modemet har även stöd för TLS (transport layer security) vilket möjliggör säker, krypterad kommunikation för att hjälpa till att undvika man-in-the-middle-attacker eller obehörig tillgång till skickade data.

nRF9160 används vid temperaturer från -40 till +85 °C, vilket gör den lämplig för extremt kalla och de flesta heta miljöer.

LTE-radion tillhandahåller upp till 23 decibels referens till 1 mW (dBm) uteffekt till antennen. Den är kompatibel med IPv4 och det senaste IPv6, vilket innebär att den enkelt kan expanderas till nya IP-adresser utan begränsningarna hos IPv4. LTE-modemet har även stöd för SMS-meddelanden. Det gör att IIoT-slutpunkten kan skicka och ta emot textdata på liknande sätt som en mobiltelefon, men istället för att bara säga "Hej" kan meddelandetjänsten användas för att ta emot sensordata och skicka driftkommandon.

Utveckling av LTE-slutpunkter

Som stöd för utvecklingen av nRF9160 erbjuder Nordic Semiconductor mobilutvecklingskortet nRF6943 Nordic Thingy:91 (figur 2). Kortet levereras praktiskt förpackat som en sats i en orange låda som nästan kan installeras i befintligt skick för snabb implementering.

Figur 2: Nordic Semiconductor nRF6943 Thingy:91 är en fullt utrustad mobilutvecklingssats med ett stort antal sensorer och stift för anslutning till externa enheter. Den har ett SIM-kortuttag för ett operatörsbundet SIM-kort. (Bildkälla: Nordic Semiconductor)

Utvecklingssatsen nRF6943 levereras med ett laddningsbart 1400 litiumpolymerbatteri på milliamperetimmar (mAh) som laddas via den tillgängliga USB-porten. USB-porten används även för att ansluta nRF6943 till en dator för utveckling, programmering och felsökning av fast programvara.

Utvecklingssatsen nRF6943 Thingy:91 levereras med ett antal sensorer på kretsen inklusive en strömsnål accelerometer, en hög-G-accelerometer, en ljus- och färgsensor samt ett strömmätningsuttag. En miljösensor känner av temperatur, luftfuktighet, luftkvalitet och lufttryck. Enskilda uttagsstift är tillgängliga för anslutning till ytterligare externa sensorer. Dessutom driver nRF9160 fyra effekt-MOSFET:ar som kan användas för att driva små likströmsmotorer eller lysdioder med hög ström. En magnetisk summer och tre RGB-lysdioder tillhandahåller återkoppling med ljud och ljus under utvecklingen. Det finns även två knappar som kan programmeras med fast applikationsprogramvara.

Ansluta till den centrala hubben

En IIoT nRF9160-slutpunkt kan placeras var som helst i världen där det finns LTE-konnektivitet. IIoT-mobilslutpunkten kan överföra data via en trådlös operatörs mobilnät med den centrala hubben till en mobilrouter som Phoenix Contacts 4G LTE-router 1010464 (figur 3).

Figur 3: Phoenix Contacts mobilrouter 1010464 är en industriell 4G LTE-router med integrerad brandvägg och stöd för VPN (virtual private network). (Bildkälla: Phoenix Contact)

Phoenix Contacts 4G LTE-router 1010464 är utformad för tuffa industrimiljöer och ansluter till mobilnätet AT&T U.S.A. Baktill finns en SIM-kortplats för ett operatörsbundet SIM-kort. Routern är monterad på en DIN-skena för enkel integrering i ett befintligt DIN-skensystem med minimal hårdvarukonfiguration. Routern måste placeras så att den kan ta emot en tydlig mobilsignal. Både IIoT-slutpunktens fasta programvara och den här mobilroutern måste konfigureras med telefonnumren för varje SIM så att de kan kommunicera säkert och effektivt. LTE-routern har en brandvägg för ökad säkerhet och kan enkelt filtrera bort obehörig LTE-åtkomst från obehöriga telefonnummer samt misstänkta paket från behöriga nummer. VPN-stöd ger säkrare datakommunikation. LTE-mobilroutern har en switch med fyra portar framtill och kommunicerar med det lokala nätverket via Ethernet.

Den här kombinationen av en strömsnål IIoT-slutpunkt och en LTE-mobilrouter tillåter enkel kommunikation mellan den centrala hubben och den industriella slutpunkten, där kommunikationshastigheten endast begränsas av mobilnätverkets tillgängliga bandbredd.

Slutsats

Som visats kan IIoT-nätverk enkelt expanderas för att inkludera slutpunkter var som helst i världen. Att använda en strömsnål microcontroller med integrerat LTE-mobilmodem sparar tid och utvecklingskostnader, och när den har konfigurerats kan den överföra data till en mobilrouter i den centrala hubben dygnet runt.