Miten toteutetaan turvalliset ja luotettavat langattomat yhteydet älykästä energiaa ja kunnallistekniikkaa varten

Langaton viestintä, mukaan lukien paikallisverkot ja pilviyhteydet, on olennainen osa lukuisissa älykkäissä energia- ja kunnallistekniikkajärjestelmissä, mukaan lukien energiamittarit, kriittinen infrastruktuuri, vihreät energiajärjestelmät, sähköajoneuvot, sähköverkon modernisointi, älyverkko ja älykkäät kaupungit. Näihin sovelluksiin liittyy usein reunayhteyksiä, ja ne vaativat alhaisen viiveen sekä ennustettavan ja turvallisen viestinnän, jota voidaan tukea IEEE 802.15.4-, Zigbee-, Bluetooth- ja muiden protokollien avulla. Joissakin tapauksissa niissä voidaan käyttää IEEE 802.11 g/n -standardin kaltaisia vähävirtaisia mutta nopeita langattomia protokollia, jotka tarjoavat ulkotiloissa korkean tiedonsiirtonopeuden noin 300 metrin säteelle.

Lisäksi näiden langattomien laitteiden on täytettävä muun muassa FCC:n standardien vaatimukset Yhdysvalloissa, ETSI:n, EN 300 328:n ja EN 62368-1:n vaatimukset Euroopassa, ISED:n vaatimukset Kanadassa sekä Japanin sisäasiain- ja viestintäministeriön (MIC) vaatimukset. Langattomien yhteyksien suunnittelu ja tarvittavien sertifikaattien hankkiminen voivat viedä aikaa, mikä lisää kustannuksia ja pidentää markkinoilletuontiaikaa. Tämän sijasta voidaan käyttää valmiiksi suunniteltuja ja sertifioituja langattoman viestinnän moduuleita ja kehitysalustoja, jotka voidaan helposti integroida älykkään energian ja kunnallistekniikan laitteisiin.

Tämän artikkelin alussa tarkastelemme useita paikallisverkko- ja pilviyhteysvaihtoehtoja ja -arkkitehtuureja, mukaan lukien langalliset ja langattomat verkkovaihtoehdot. Sen jälkeen artikkelissa esitellään useita langattomia alustoja yrityksiltä Digi, Silicon Labs, Laird Connectivity, Infineon ja STMicroelectronics suojattujen ja robustien langattomien yhteyksien lisäämiseksi älyenergiaprojekteihin ja kunnallistekniikan projekteihin. Tarkastelemme myös suunnitteluprosessia nopeuttavia kehitysympäristöjä.

Suuria mahdollisuuksia ja haasteita

Suuret haasteet kulkevat usein käsi kädessä suurien mahdollisuuksien kanssa. Tämä todellakin pätee älykkään energian ja kunnallistekniikan toteuttamiseen älykkään kaupungin infrastruktuurissa. Ensinnäkin nykyinen ja ikääntyvä infrastruktuuri on integroitava tehokkaasti. Sen jälkeen on otettava käyttöön maantieteellisesti hajautettuja ja teknisesti heterogeenisiä verkkoja, joilla on korkea hyötysuhde ja jotka ovat robusteja. Ja viimeisenä näiden verkkojen odotetaan olevan tarpeeksi joustavia mukautumaan tulevaisuuden teknologiseen kehitykseen, kuten älykkäiden ja toisiinsa yhteydessä olevien ajoneuvojen lisääntymiseen.

Esimerkiksi edistyneet automatisoidut liikenteenhallintajärjestelmät voivat lisätä turvallisuutta, parantaa energiankäyttöä ja vähentää autojen, linja-autojen ja muiden ajoneuvojen ympäristövaikutuksia. Tässä tapauksessa keskitetty liikenteenhallintajärjestelmä on yhteydessä verkkoon laajakaistakuidulla ja langattomalla runkoliityntäyhteydellä. Muita järjestelmän elementtejä voivat olla esimerkiksi (kuva 1) seuraavat:

• Ethernet- ja matkapuhelinreitittimet, jotka tukevat IP-yhteensopivia laitteita paikallisella tasolla. Joissakin tapauksissa voidaan käyttää Power over Ethernetiä (PoE) verkon käyttömahdollisuuksien lisäämiseksi ja kustannusten vähentämiseksi.
• Vanhat laitteet voidaan integroida erityisliitäntöjen ja sarjaporttien kautta.
• Paikalliset Wi-Fi- ja Bluetooth-laitteet voivat valvoa liikennetiheyttä ja jalankulkijoita anonymisoituja tietoja käyttämällä. Tuloksena saatavat tiedot voidaan analysoida paikallisesti ja lähettää liikenteenhallintajärjestelmäkeskukseen päätöksentekoa ja korkeamman tason hallintatoimintoja varten.
• Sekä paikalliset ASTC-liikenteenohjaimet että liikenteenhallintakeskus käyttävät liikennekameroiden, tutkan ja lidarin (valotutka) kaltaisien antureiden sekä muiden tietolähteiden yhdistelmää liikennevirtojen reaaliaikaiseen optimointiin.

Kuva 1: Automaattinen liikenteenhallinta älykkäässä kaupungissa kattaa koko kirjon jalankulkijoiden ja ajoneuvojen Wi-Fi-tunnistuksesta liikennekameroihin, ASTC-liikenteenohjaimiin sekä keskitettyyn liikenteenhallinta- ja ohjauskeskukseen. (Kuvan lähde: Digi)

Kokonaisenergiatehokkuutta, yleistä turvallisuutta ja kaupunkiteiden ympäristövaikutuksia voidaan parantaa seuraavin keinoin:

• Ruuhkat voidaan havaita ja niitä voidaan minimoida muokkaamalla liikennevirtoja ja liikennevalojen ajoitusta lähes reaaliaikaisesti paikallisten ja keskitettyjen hallintalaitteiden avulla.
• Linja-autojen ja muiden joukkoliikennemuotojen tehokasta käyttöä ja aikatauluissa pysymistä voidaan parantaa säätämällä liikennevalojen ajoituksia.
• Pelastustyöntekijöille voidaan antaa optimoitu reitti reaaliajassa, jolloin he pääsevät kohteeseensa nopeammin ja kokonaisvaikutus yleiseen turvallisuuteen minimoidaan.

Tulevaisuuden älykkäät kaupungit

Tämän päivän älykkäiden kaupunkien kehitys on yhä kesken. Parannus- ja kehitysmahdollisuuksia on runsaasti. Tulevaisuuden älykkäät kaupungit keskittyvät yhä enemmän integroituun energiatehokkuuteen ja parempaan elämänlaatuun. Sähköajoneuvot ja älykkäät tai autonomiset ajoneuvot yleistyvät. Ne integroidaan älykkääseen asumiseen, älykkääseen latausinfrastruktuuriin, älykkäisiin toimitusjärjestelmiin ja päästä päähän ‑kuljetusjärjestelmiin, mukaan lukien junat, kevytjunat ja linja-autot sekä sähkörobottitaksit loppumatkaa varten.

Asukkaat käyttävät älypuhelimia yhä useampiin käyttötarkoituksiin, kuten bussi- ja junalippujen ostamiseen, mikä nopeuttaa prosessia ja entisestään vähentää liikenteen ympäristövaikutuksia. Vaikka liikenne vastaa jatkossakin valtaosasta sähköajoneuvojen käytöstä, se ei ole niiden ainoa käyttötarkoitus.

Infineonin mukaan kuorma-autojen, linja-autojen, pakettiautojen ja rakennuslaitteiden päästöjen osuus on noin neljäsosa kaupungin CO₂-päästöistä ja noin viisi prosenttia kaikista kasvihuonekaasupäästöistä. Näiden hyötyajoneuvojen suurempien akkujen lataamiseen on kehitettävä integroitu latausinfrastruktuuri, joka soveltuu myös henkilöautojen ja sähköpyörien lataamiseen. Latausinfrastruktuurin pitää olla yhdistetty ja keskitetysti hallittu, jotta erilaisten ajoneuvotyyppien ja niiden käyttötarpeiden mukainen latausnopeus voidaan maksimoida.

Ympäristövaikutusten vähentämisen, elämänlaadun parantamisen ja energian tehokkaan käytön tueksi tarvitaan kompleksisia reaaliaikaisia langattomia verkkoja, jotka valvovat hajautettujen uusiutuvien energialähteiden, mikrosähköverkkojen ja energian varastoinnin toimintaa, optimoivat energian käyttöä, hallinnoivat veden ja jäteveden käyttöä sekä monia erilaisia liikenne- ja muita järjestelmiä. Näiden reaaliaikaisten verkkojen pitää olla robusteja, ja niiden latenssin pitää olla minimaalinen (kuva 2). Älykkään kaupungin infrastruktuurin tukemiseksi tarvitaan työkaluja, jotka mahdollistavat kompleksisten viestintäverkkojen ja yhdistettyjen laitteiden nopean kehittämisen, käyttöönoton ja päivityksen.

Kuva 2: Älykaupungin palveluissa käytetään luotettavia ja reaaliaikaisia langattomia verkkoja erilaisten sovellusten yhdistämiseen. (Kuvalähde: Infineon)

Suojattu verkko langattomilla moduuleilla

Suojattu verkko voidaan ottaa nopeasti käyttöön Digin langattomilla XBee RR ‑moduuleilla, jotka perustuvat Silicon Labsin EFR32MG21B020F1024IM32-BR -järjestelmäpiiriin (SoC). Tämä sisältää 80 MHz:n ARM Cortex-M33 ‑ytimen ja integroidun turvallisuusalijärjestelmän. XBee-moduulit tukevat useita langattomia protokollia ja taajuuskaistoja, kuten Zigbee, 802.15.4 ja DigiMesh, sekä Bluetooth Low Energyä (BLE), joilla saavutetaan tuki suurelle määrälle verkkoarkkitehtuureja. DigiMesh on vertaisverkkoprotokolla, joka voi vähentää Zigbeen käytön kompleksisuutta pisteestä moneen pisteeseen ‑toteutuksissa. Nämä moduulit tukevat BLE-yhteyksiä ja yhteyttä toiseen BLE-laitteeseen.

Älypuhelinyhteyksiä voidaan käyttää moduulien määritysten tekoon ja ohjelmointiin XBee-mobiilisovelluksen avulla. Lisäksi voidaan käyttää Windows-, MacOS- ja Linux-yhteensopivaa XCTU-määritysalustaa. XCTU käyttää graafista verkkonäkymää langattoman verkon määrityksen yksinkertaistamiseen sekä API-kehyksen kehitystyökalua XBee API ‑kehysten nopeaan luontiin. Muita moduulien ominaisuuksia ja vaihtoehtoja ovat muun muassa seuraavat:

• Kotelointivaihtoehtoja ovat 13 x 19 mm:n mikrokiinnitettävät komponentit kuten XBRR-24Z8UM, pintakiinnitysmoduulit kuten XBRR-24Z8PS-J ja läpiasennettavat mallit kuten XBRR-24Z8ST-J (kuva 3)
• PRO-versio on FCC-sertifioitu käytettäväksi Pohjois-Amerikassa, ja vakioversio täyttää ETSI-standardit, jotka koskevat käyttöä Euroopassa
• Matalatehoiset ja korkeatehoiset moduulikonfiguraatiot
• Sisätilat/kaupunkialue jopa 90 metriä olosuhteista riippuen
• Olosuhteista riippuen etäisyys näköyhteydellä ulkona jopa 3200 m
• Integroitu IoT-tietoturvasovellus yksinkertaistaa laitesuojan, laiteidentiteetin ja tietosuojan integrointia

Kuva 3: Langattomien Digi XBee ‑moduulien kotelointivaihtoehtoja ovat mikrokiinnitys (vasemmalla), pintaliitos (keskellä) ja läpiasennus (oikealla). (Kuvan lähde: DigiKey)

Älykkäät yhdyskäytävät

Laird Connectivityn Sterling LWB+ ‑moduulit, kuten 453-00084R, ovat erittäin suorituskykyisiä 2,4 GHz:n WLAN- ja Bluetooth-yhdistelmämoduuleita, jotka on suunniteltu langattomia IoT-laitteita ja älykkäitä yhdyskäytäviä varten. Ne perustuvat Infineonin yhdelle sirulle integroituun AIROC CYW43439 ‑radioon ja toimivat lämpötila-alueella −40...+85 °C, minkä ansiosta ne sopivat moniin älykkään kunnallistekniikan, älykkäiden kaupunkien ja älykkään energian käyttökohteisiin. Sterling LWB+ ‑moduuleilla on maailmanlaajuiset sertifioinnit, mukaan lukien FCC, ISED, EU, MIC ja AS/NZS.

Sterling LWB+ ‑moduulit sisältävät MAC- (Medium Access Control), kantataajuuskaista- ja radiotoiminnot sekä itsenäisen nopean UART-tuen Bluetooth-yhteyksiä varten. Laird Connectivity ja Infineon tukevat uusimpia Android- ja Linux-ajureita. Integroitu siruantenni säilyttää hyvin virityksensä ja yksinkertaistaa järjestelmän suunnittelua ja valmistusta. Sterling LWB+ ‑sarja on SiP-järjestelmäpaketti, joka on saatavana piirilevyllä olevaan antenniin liittämiseen tarkoitetulla kytkentänastalla (trace pin), integroidulla siruantennilla tai MHF4-liittimellä. Ne tarjoavat myös WPA/WPA2/WPA3-salauksen. Näistä moduuleista on saatavana neljä eri kotelomallia, jotka täyttävät erilaisten järjestelmäratkaisuiden ja käyttökohteiden tarpeet (kuva 4).

Kuva 4: Perusmallinen Sterling LWB+ SIP (vasemmalla), moduuli MHF-liittimellä (toinen vasemmalta), moduuli integroidulla antennilla (kolmas vasemmalta) ja kortinreunaliitin (oikealla). (Kuvan lähde: Laird Connectivity)

Sterling-LWB+ sisältää turvallisen ja suorituskykyisen SDIO-liitännän, jonka ansiosta integrointi on helppoa mihin tahansa Linux- tai Android-pohjaiseen järjestelmään. Langattomien IoT-laitteiden ja älykkäiden yhdyskäytävien kehittämistä voidaan nopeuttaa käyttämällä 453-00084-K1-kehityssarjaa, joka sisältää 453-00084R-moduulin integroidulla MHF-liittimellä (kuva 5).

Kuva 5: Tämä kehitysalusta sisältää Lairdin 453-00084R Sterling LWB+ ‑moduulin, jossa on integroitu MHF-liitin (kuvan lähde: Laird Connectivity)

Langattomat teollisuustason anturiyksiköt

Langattomat anturiyksiköt ovat tärkeä osa älykkäiden kaupunkien älykästä energiaa ja kunnallistekniikkaa. STMicroelectronicsin STEVAL-STWINKT1B SensorTile ‑kehityssarja ja referenssimalli auttavat ratkaisemaan kehittyneiden langattomien anturiyksiköiden nopean suunnittelun, prototyyppikehityksen ja testauksen kompleksisuuteen liittyvät ongelmat. Se sisältää X-NUCLEO-SAFEA1A-laajennuskortin, joka tukee IoT-laitteiden todentamista ja tietoturvaa, BLUENRG-M2SA-Bluetooth-radiomoduulin ja IMP23ABSUTR-MEMS-mikrofonin. MEMS-mikrofoni on suunniteltu käytettäväksi kortin erittäin vähävirtaisen mikrokontrollerin kanssa 9 vapausasteen (DoF) liikkeentunnistustietojen tärinäanalyysiin laajalla taajuusalueella 35 Hz:stä aina ultraäänitaajuuksiin asti. Siinä on myös kiihtyvyysanturi, gyroskooppi, kosteusanturi, magnetometri sekä paine- ja lämpötila-anturit.

SensorTile-kehityssarja tarjoaa käyttöön joukon ohjelmistopaketteja, laiteohjelmistokirjastoja ja pilvipaneelisovelluksia, jotka nopeuttavat kattavien päästä-päähän‑IoT-anturijärjestelmien kehittämistä. Integroitu moduuli tarjoaa BLE-yhteyden, RS484-lähetin-vastaanotin tukee langallisia yhteyksiä ja STEVAL-STWINWFV1-laajennuskortti tarjoaa Wi-Fi-yhteyden. Pääkortissa on STMod+ -liitin, jonka avulla siihen voidaan liittää STM32-mikrokontrolleriperheeseen perustuvia pieniä tytärkortteja. Lisäksi kehityssarja sisältää 480 mAh:n litiumpolymeeriakun, erillisen STLINK-V3MINI-vianmääritys- ja ohjelmointilaitteen sekä muovikotelon (kuva 6).

Kuva 6: STEVAL-STWINKT1B SensorTile ‑kehityssarja ja referenssimalli sisältävät kattavan valikoiman ympäristöantureita ja tuen useille yhteysvaihtoehdoille. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Yhteenveto

Älykaupunkien älykkäiden energiajärjestelmien ja kunnallistekniikan tarpeiden tukemiseen tarvitaan joukko langattomia yhteysprotokollia. Nämä järjestelmät voivat parantaa energiatehokkuutta, lisätä yleistä turvallisuutta, tukea tehokkaampaa veden ja energian käyttöä sekä vähentää CO₂- ja kasvihuonekaasupäästöjä. Kuten artikkelissa on esitetty, langattomia Wi-Fi-, Zigbee- ja Bluetooth Low Energy ‑protokollia varten on saatavilla monia erilaisia langattomia moduuleja ja kehitysympäristöjä, jotka tarjoavat älykaupunki-infrastruktuurille älykkään energian ja kunnallistekniikan tarvitsemat turvalliset ja luotettavat yhteydet.