Toteuta etäkäytettävä mobiili IIoT-päätepiste käden käänteessä LTE-mikrokontrollerilla ja reitittimellä

Esineiden internetin (IoT) sovellukset laajenevat, joten myös niihin liittyvien verkkojen täytyy laajentua. Wi-Fi, Bluetooth ja Zigbee mahdollistavat kätevät langattomat verkkoyhteydet teollisuuslaitosten sisällä tai niiden läheisyydessä. Joskus osa teollisuuden IoT (IIot) -verkon etäseurantaa ja -ohjausta tarvitsemista järjestelmistä voi kuitenkin sijaita kaukana tai hajallaan laajalla alueella, jolloin huoltoteknikkojen on vaikeaa ja aikaa vievää päästä niihin käsiksi. Näissä tilanteissa mobiiliverkko on paras langaton ratkaisu.

Tässä artikkelissa kuvailemme IIoT-sovellusten mobiilia etämonitorointia ja -ohjausta ja selitämme, miksi sitä tarvitaan kaukana sijaitsevissa kohteissa. Kerromme myös, mitä hyötyä etäohjattavasta IIoT-ratkaisusta on silloin, kun tarvitaan energiatehokasta solmua, joka vaatii mahdollisimman vähän huoltoa tai on täysin huoltovapaa. Esittelemme tämän jälkeen Nordic Semiconductorin valmistaman mobiilin mikrokontrollerin, joka pystyy siirtämään dataa LTE-verkon kautta DIN-kiskoon asennettuun Phoenix Contactin mobiilireitittimeen.

Laajennettu IIoT-verkko

Perinteisesti IIoT-verkot on sijoitettu yhteen paikkaan, kuten tuotantolaitokseen, automatisoituun varastoon tai ulkopuistoon. Keskittimeen voidaan luoda yhteys langallisesti esimerkiksi käyttämällä teollista Ethernet-verkkoa tai langattomasti käyttämällä esimerkiksi Wi-Fi- tai Zigbee-verkkoa. Huoltotoimien ja laitevaihtojen hallinta on helppoa ja tehokasta, sillä keskuspaikasta päästään suoraan IIoT-verkossa olevien päätepisteiden luo.

IIoT-teknologian yleistyessä myös käyttötapauksia on tullut entistä enemmän. Tehokkuuden lisäämiseksi ja verkon välittömän hallinnan parantamiseksi tuotantolaitosten toiminnasta vastaavien henkilöiden on voitava seurata ja kontrolloida etäjärjestelmiä niin, että etäjärjestelmän ja pääkonttorissa sijaitsevan keskittimen välinen viive on mahdollisimman pieni. Kuljetusjärjestelmät, kuten junat, metrot ja kuorma-autot, voivat puolestaan käyttää IoT-sovelluksia erilaisten poltto- tai sähkömoottoria tarkkailevien sekä polttoaineen ja energian kulutusta, ajonopeutta ja etäisyyttä mittaavien antureiden seurantaan ja GPS-paikannukseen, jolla määritetään sijainti ja arvioidaan ajoaika kohteeseen. Nämä tiedot lähetetään päätoimipisteeseen tai yrityksen pääkonttoriin analysoitaviksi. Koska tiedot ovat lähes välittömästi käytettävissä, tehokkuus paranee ja toimintahäiriöt voidaan estää ajoissa. Aikaa ja rahaa säästyy, kun järjestelmä toimii entistä luotettavammin ja kustannustehokkaammin.

Öljy- ja kaasuputkistoissa voidaan hyödyntää IIoT-verkkoja öljy- tai kaasutilavuuden ja paineen sekä ympäristöolosuhteiden, kuten lämpötilan, ilmanpaineen ja kosteuden valvontaan. Tarkan GPS-seurannan sekä tärinä- ja gyroskooppiantureiden avulla voidaan havaita putken liike ulkoisten vaikutusten, kun seismisen toiminnan seurauksena. Jos järjestelmä havaitsee maanjäristyksen tai muun hätätilanteen, putkiston virtausta voidaan joissakin tapauksissa rajoittaa tai se voidaan pysäyttää etäohjauksen kautta. Laitteet voivat suorittaa itsediagnooseja ja lähettää tulokset tehtaalle analysoitaviksi. Koska nämä putkistot voivat sijaita tuhansien kilometrien päässä pääkonttorista vaativissa olosuhteissa, kuten napapiirillä, on tärkeää, että päätepisteessä on täysin luotettava tiedonsiirtoverkko.

Ota käyttöön mobiili IoT

Näiden kasvavien tarpeiden täyttämiseksi IIoT-verkko on laajentunut käyttämään nykyisiä neljännen sukupolven LTE-mobiiliverkkoja. Tämän ansiosta IIoT-päätepiste voidaan sijoittaa lähes minne tahansa maailmassa, kunhan siellä on LTE-yhteys ja teholähde, jota voidaan käyttää ja ylläpitää. Lisäksi mobiiliverkon ylläpitoon liittyvät kustannukset ja kunnossapito jäävät mobiilioperaattoreiden vastuulle. Koska nämä järjestelmät voidaan sijoittaa kaukaisiin, valvomattomiin ja vaikeasti tavoitettaviin paikkoihin, mobiilin IIoT-päätepisteen on oltava luotettava ja pystyttävä torjumaan hakkerointia tai luvatonta peukalointia.

Ensimmäinen vaatimus luotettavalle sulautetulle IIoT-järjestelmälle on järjestelmän pitäminen yksinkertaisena ja energiatehokkaana. Kun järjestelmä pidetään yksinkertaisena, vikaantuvien kohtien määrä pienenee. Kun virrankulutus pienenee, järjestelmä toimii luotettavammin, sillä myös lämmöntuotanto alenee. Tämä pidentää useimpien puolijohdelaitteiden käyttöikää ja akkukäyttöisten IIoT-päätepisteiden akun kestoa.

Näiden kasvavien tarpeiden täyttämiseksi Nordic Semiconductor on tuonut markkinoille nRF9160 LTE Cellular IoT -mikrokontrollerin. nRF9160 yksinkertaistaa mobiilien IoT-päätepisteiden kehitystyötä, sillä siinä on täydellinen sisäänrakennettu LTE-modeemi, joka on yhteensopiva uusimpien mobiilien IoT- ja laitteelta laitteelle (M2M) -datastandardien kanssa (kuva 1).

<Kuva 1: Nordic Semiconductorin nRF9160 LTE Cellular -mikrokontrolleri pohjautuu Arm® Cortex®-M33 -ytimeen. Siinä on kaikki tarvittavat oheislaitteet, jotka tarvitaan mobiilin IoT-päätepisteen rakentamiseen, mukaan lukien LTE-modeemi ja GPS-moduuli. (Kuvan lähde: Nordic Semiconductor)

Nordic Semiconductorin nRF9160 pohjautuu erityisesti matalan tehon IoT-sovelluksiin tarkoitettuun 64 megahertsin (MHz) Arm Cortex-M33 -suoritinytimeen. Cortex-M33 tukee yhden kellojakson kerto- ja yhteenlaskua (MAC) ja sisältää single-precision-liukulukuyksikön (FPU), laitteistotuen jakolaskulle sekä SIMD-yksikön (datarinnakkainen laskenta). Se mahdollistaa anturitietojen nopean käsittelyn esimerkiksi datafuusiolaskelmissa. Cortex-M33 säilyttää ennustettavuutensa silloinkin, kun se siirtyy tai poistuu energiansäästötilasta, ja se tukee myös reaaliaikaista toimintaa.

nRF9160-mikrokontrollerissa on sirun sisäinen 1 megatavun flash-muisti sovelluslaiteohjelmistoille sekä 256 kilotavun vuotovirraltaan pieni RAM-muisti. Siinä on salaustoimintoja varten Arm TrustZone -alijärjestelmä, mukaan lukien AES-salaus, todellinen satunnaislukugeneraattori (TRNG) ja suojattu salasanojen hallinta. Sitä voidaan käyttää salatun tiedonsiirron varmentamisessa ja laiteohjelmiston peukaloinnin tunnistamisessa. Sirun sarjaliitäntöihin lukeutuvat SPI-, I²C- ja UART-portit ulkoisille antureille ja aktuaattoreille. Kahdeksankanavainen natiivi 12-bittinen (ylinäytteistyksen kanssa 14-bittinen) analogi-digitaalimuunnin auttaa analogisten antureiden lukemisessa.

nRF9160:ssa on myös sirun sisäinen GPS-vastaanotin, joka on optimoitu matalatehoisia IoT-päätepisteitä varten. Tästä on erityisen paljon hyötyä kuorma-autoissa, junissa ja muissa liikkuvissa päätepisteissä. Ominaisuudesta on hyötyä myös tilanteissa, joissa päätepiste voi siirtyä paikaltaan ilman tarkoitusta seismisen toiminnan seurauksena, ja sitä voidaan käyttää myös tarkoituksellisen liikkeen tunnistamiseen, jos päätepiste on asennettu liikuteltavaan kohteeseen, esimerkkinä robottilaitteisto. GPS-vastaanotin jakaa sirun sisäisen RF-lähetin-vastaanottimen LTE-modeemin kanssa. Lähetin-vastaanotin on aikamultipleksattu siten, että LTE-modeemilla on etusija, jos sekä LTE-modeemi että GPS-vastaanotin ovat aktiivisia samanaikaisesti.

nRF9160:n LTE-modeemissa on isäntäohjaussuoritin, jossa on erillinen flash- ja RAM-muisti, kantataajuussuoritin, ulkoisella 50 ohmin (Ω) antenninastalla varustettu RF-lähetin-vastaanotin ja SIM-korttiliitäntä. Tietoliikenteen luotettavuuden parantamiseksi LTE-modeemissa on oma diagnostiikka- ja vianmääritystoiminto. LTE-modeemi tukee matalatehoisia M2M- ja IoT-tietoliikenneprotokollia, mukaan lukien Cat-M1, Cat-NB1 ja Cat-NB2.

Jotta tietoa voidaan siirtää LTE-verkon kautta, LTE-modeemi vaatii tavallisen SIM-kortin, joka sisältää tiedot mobiiliverkosta, puhelinnumerosta ja liittymästä. nRF9160:n LTE-isäntäsuorittimessa on SIM-korttiliittymä (eli ulkoinen UICC-liittymä) mille tahansa LTE-M-standardin tai kapeakaistaista IoT (NB-IoT) -tiedonsiirtoa koskevan standardin kanssa yhteensopivalle SIM-kortille.

Kuhunkin nRF9160 LTE -päätepisteeseen on hankittava mobiilioperaattorilta SIM-kortti, jossa on sopiva datapaketti. Verkossa käytettäviin IoT-laitteisiin tarvittavat SIM-kortit ja mobiilidatapaketit on helppo hankkia Digi-Keyltä. Datapaketteja on saatavana 300 kilotavusta 5 gigatavuun kuukaudessa.

nRF9160 voi käyttää 3,0–5,5 voltin teholähdettä, joten se sopii käytettäväksi akkukäyttöisissä IIoT-päätepisteissä 3,7 voltin litiumakulla. 3,7 voltin jännite on suositeltava, sillä suurin osa laitteesta on suunniteltu 3,7 voltin syöttöjännitteelle. Suurin osa nRF9160-oheislaitteiden ja suoritinmoduulien virta-alueista on konfiguroitavissa ja virta voidaan kytkeä päälle ja pois päältä laiteohjelmiston avulla. Tämän ansiosta kehittäjät voivat hienosäätää virrankulutusta sovelluskohtaisesti.

nRF9160:ssä on virransäästötila (PSM), joka asettaa ytimen lepotilaan (ytimen rekisterien tilat säilytetään) sekä kytkee LTE-modeemin ja useimmat oheislaitteet pois päältä. Jos IIoT-päätepisteen on seurattava aikaa, reaaliaikakello voidaan asettaa virransäästötilaan, jolloin nRF9160:n virrankulutus on vain 2,35 mikroampeeria (μA) eli huomattavan alhainen lukema akkukäyttöiselle laitteelle.

Jatkuvassa käytössä olevan GPS-moduulin virrankulutus on huomattavat 47 milliampeeria (mA). GPS-toimintoa kannattaa kuitenkin käyttää virransäästötilassa, jolloin se kuluttaa vain 12 mA. Tämä vaihtoehto sopii juniin tai kuorma-autoihin, joissa tarvitaan jatkuvaa reaaliaikaista GPS-paikannusta. Vieläkin taloudellisempaa on määrittää GPS tekemään yksi paikannus kahden minuutin välein, jolloin virrankulutus on vain 1,3 mA. Tämä sopii kiinteisiin solmuihin, joiden tarvitsee havaita vain satunnainen liike.

Kun tiedonsiirtoon käytetään mitä tahansa LTE-M-protokollaa, nRF9160 voi lähettää tietoja jopa 375 kilobittiä sekunnissa (kbps). Alhaisen tiedonsiirtonopeuden NB-IoT-protokollalla nopeus on enintään 60 kbps. Nämä alhaiset tiedonsiirtonopeudet vähentävät sähkönkulutusta, mutta säilyttävät luotettavan tiedonsiirron päätepisteen ja keskittimen välillä. LTE-modeemi tukee myös Transport Layer Security -salausta (TLS), joka mahdollistaa turvallisen ja salatun tiedonsiirron ja auttaa ehkäisemään väliintulohyökkäykset sekä datan luvattoman sieppaamisen.

nRF9160:n käyttölämpötila-alue on -40 – + 85 °C, joten se sopii erittäin kylmiin ja useimpiin hyvin lämpimiin ympäristöihin.

LTE-radio tuottaa jopa 23 desibelin viitesignaalin antenniin 1 milliwatin (mW) (dBm) antoteholla. Se on yhteensopiva sekä IPv4:n että uusimman IPv6:n kanssa, joten se on helppo laajentaa uusiin IP-osoitteisiin ilman IPv4:n rajoituksia. LTE-modeemi tukee myös tekstiviestejä. IIoT-päätepiste voi tämän ansiosta lähettää ja ottaa vastaan tekstitietoja samaan tapaan kuin matkapuhelimella – sillä erotuksella, että näitä viestejä ei käytetä ihmisten väliseen keskusteluun, vaan anturidatan vastaanottamiseen ja toimintakomentojen lähettämiseen.

LTE-päätepisteen kehitys

Nordic Semiconductor tarjoaa nRF9160:n tuotekehityksen tueksi nRF6943 Nordic Thingy:91 -mobiilikehitysalustaa (kuva 2). Alusta toimitetaan kätevässä kirkkaan oranssissa laatikossa, joka voidaan ottaa käyttöön lähes sellaisenaan.

Kuva 2: Nordic Semiconductor nRF6943 Thingy:91 on monipuolinen mobiilikehityssarja, jossa on valtava valikoima antureita ja liittimiä ulkoisten laitteiden yhdistämiseen. Siinä on SIM-korttiliitäntä SIM-tilaajakorttia varten. (Kuvan lähde: Nordic Semiconductor)

nRF6943-kehityspaketissa on ladattava 1400 milliampeeritunnin (mAh) litiumpolymeeriakku, joka ladataan laitteen USB-portin kautta. USB-porttia käytetään myös, kun nRF6943 liitetään tietokoneeseen laiteohjelmiston kehittämistä, ohjelmointia ja vianetsintää varten.

nRF6943 Thingy:91 -kehityssarja sisältää useita integroituja antureita, esimerkkinä matalatehoinen kiihtyvyysmittari, korkeita G-voimia kestävä kiihtyvyysmittari, valo- ja värianturi sekä virrankulutuksen mittausportti. Ympäristöanturi tunnistaa lämpötilan, kosteuden, ilman laadun ja ilmanpaineen. Porttien yksittäisiin nastoihin voi kytkeä muita ulkoisia antureita. Lisäksi nRF9160 ohjaa neljää teho-MOSFET:ia, joita voidaan käyttää pienten tasavirtamoottoreiden tai korkeavirtaisten ledien ohjaamiseen. Magneettinen summeri ja kolme RGB-LED:iä tarjoavat palautteen äänimerkkien muodossa ja visuaalisesti kehitystyön aikana. Käytettävissä on myös kaksi painiketta, jotka voidaan ohjelmoida laiteohjelmiston avulla.

Yhteyden muodostaminen pääkonttorin keskittimeen

nRF9160-pohjainen IIoT-päätepiste voidaan sijoittaa minne tahansa, missä on käytettävissä LTE-yhteys. Mobiili IIoT-päätepiste pystyy siirtämään matkapuhelinoperaattorin verkon kautta dataa pääkonttorin keskittimeen käytettäessä mobiilireititintä, esimerkkinä Phoenix Contactin 4G LTE -reititin 1010464 (kuva 3).

Kuva 3: Phoenix Contact 1010464 -mobiilireititin on teollisuuskäyttöön tarkoitettu 4G LTE-reititin, jossa on sisäänrakennettu palomuuri ja joka tukee virtuaalista erillisverkkoa (VPN). (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Phoenix Contact 1010464 4G LTE -reititin on suunniteltu vaativiin teollisuusympäristöihin ja se voidaan kytkeä AT&T USA:n mobiiliverkkoon. Takapaneelissa on liitäntä tilaajan SIM-kortille. Reititin asennetaan DIN-kiskoon, jolloin sen integroiminen valmiiseen DIN-kiskojärjestelmään sujuu kätevästi ja minimaalisilla laitteistomäärityksillä. Reititin on sijoitettava niin, että se pystyy vastaanottamaan riittävän voimakkaan mobiilisignaalin. Sekä IIoT-päätepisteen laiteohjelmistoon että tähän mobiilireitittimeen on määritettävä kunkin SIM-kortin puhelinnumerot, jotta niiden välinen tiedonsiirto on turvallista ja tehokasta. LTE-reitittimessä on palomuuri, joka lisää tietoturvaa ja pystyy helposti estämään LTE:n luvattoman käytön tuntemattomista puhelinnumeroista sekä myös hyväksytyistä numeroista tulevat epäilyttävät paketit. VPN-tuki tekee tiedonsiirrosta entistä turvallisempaa. LTE-mobiilireitittimen etupaneelissa on neljän portin kytkin, ja se on yhteydessä paikallisverkkoon Ethernetin kautta.

Tämä matalatehoisen IIoT-päätepisteen ja LTE-mobiilireitittimen yhdistelmä helpottaa yhteydenpitoa pääkonttorin keskittimen ja teollisen päätepisteen välillä, ja ainoastaan mobiiliverkon käytettävissä oleva kaistanleveys rajoittaa tiedonsiirtonopeutta.

Yhteenveto

Kuten artikkelissa osoitetaan, IIoT-verkkoja voi helposti laajentaa kattamaan päätepisteitä kaikkialla maailmassa. Integroidulla mobiililla LTE-modeemilla varustettu matalatehoinen mikrokontrolleri säästää aikaa ja suunnittelukuluja. Oikein määritettynä se pystyy lähettämään tietoja pääkonttorin keskittimessä olevaan mobiilireitittimeen ympäri vuorokauden.