ثابت شده است که شبکههای حسگر اینترنت اشیا (IoT) میتوانند کارایی را با استفاده از دادههای بلادرنگ بهبود بخشند و از طریق تعمیر و نگهداری پیشبینیشده زمان خرابی را کاهش دهند، در نتیجه قوانین بازی برای اتوماسیون صنعتی، انرژیهای تجدیدپذیر و سیستمهای روشنایی هوشمند را تغییر دهند. با این حال، از آنجایی که این سیستم به گرههای حسگر بیسیم بیشتر و بیشتری مجهز میشود، طراحان با این چالش مواجه خواهند شد که چگونه شبکههای صنعتی اینترنت اشیاء (IIoT) را در محیطهای سخت گسترش دهند، در حالی که هزینههای اجرایی و عملیاتی را به حداقل میرسانند، به مسائل ازدحام شبکه رسیدگی میکنند و امنیت را تضمین میکنند.
این مقاله به تشریح مسائل مختلفی میپردازد که طراحان هنگام گسترش شبکههای IIoT با آن مواجه میشوند. سپس ماژول بلوتوث کم مصرف (BLE) و کیت توسعه دیجی را معرفی کنید و نحوه حل سریع و موثر مشکلات فوق را با استفاده از این محصولات توضیح دهید.
چالش های پیش روی گسترش زیرساخت اینترنت اشیا بی سیم
IIoT شامل طیف گسترده ای از حوزه های کاربردی است که در میان آنها جمع آوری داده ها برای بهبود کارایی و پیش بینی پذیری بسیار مهم است. با در نظر گرفتن روشنایی هوشمند به عنوان مثال، حسگرهای بی سیم نور محیط و داده های اشغال را جمع آوری می کنند، استفاده را در زمان واقعی تنظیم می کنند و در مصرف انرژی و هزینه های مربوطه صرفه جویی می کنند.
به طور مشابه، برنامههای انرژی تجدیدپذیر از شبکههای حسگر IoT از راه دور برای نظارت بر منابع مختلف انرژی مانند انرژی خورشیدی و باد استفاده میکنند. این سیستم های مانیتورینگ شبکه وضعیت و عملکرد را نظارت می کنند، خطاها را پیش بینی می کنند و منبع تغذیه شبکه را به صورت دینامیکی تنظیم می کنند.
مانند سایر زمینه هایی که از فناوری اتوماسیون صنعتی استفاده می کنند، جمع آوری داده ها از قطعات متحرک کلید اجرای تعمیر و نگهداری پیش بینی شده است. نصب صدها حسگر بیسیم در کل سیستم صنعتی میتواند اطلاعات دادههای ریزدانه را فراهم کند، در نتیجه فرآیندها را بهینه میکند، کار تعمیر و نگهداری را کاهش میدهد و هزینههای عملیاتی را کاهش میدهد. با این حال، همانطور که مقیاس شبکه های حسگر گسترش می یابد، ممکن است مسائل مربوط به عملکرد، مانند
تداخل: محیط های صنعتی معمولاً تحت تأثیر تداخل الکترومغناطیسی سطح بالا (EMI) تولید شده توسط موتورها، منابع تغذیه حالت سوئیچ و تجهیزات جوش قوس الکتریکی قرار می گیرند. این EMI می تواند باعث کاهش متناوب در سرعت انتقال داده شود که به طور جدی بر انتقال موثر داده ها تأثیر می گذارد.
ازدحام بیش از حد شبکه: کارکردن چندین دستگاه بیسیم در فاصله نزدیک میتواند باعث اشباع شبکه شود که منجر به تاخیر و قطع اتصال بیشتر میشود، که میتواند مانع از شناسایی بلادرنگ و افزایش مصرف انرژی شود.
امنیت: حملات هکرها تهدیدی بزرگ برای زیرساخت های حیاتی مانند انرژی یا لجستیک هستند، بنابراین شبکه های حسگر باید از امنیت قوی برخوردار باشند. با این حال، با افزایش تعداد نقاط پایانی، تعداد آسیب پذیری ها نیز افزایش می یابد.
چالش دیگر ادغام حسگرهای بی سیم با پروتکل های صنعتی استاندارد است. این یکپارچه سازی ممکن است شامل قالب بندی مجدد داده ها و فشرده سازی برای کاهش ترافیک شبکه باشد. با این حال، این فرآیندها باید بر روی دستگاه ها انجام شوند و با افزایش تعداد سنسورها و پروتکل ها، هزینه ها و مصرف انرژی نیز به سرعت افزایش می یابد. علاوه بر این، تعداد سنسورهای موجود در محل دائماً در حال افزایش است و کار تعمیر و نگهداری را به طور فزایندهای پیچیده میکند، زیرا تعمیر و نگهداری غیر پیشبینی سنسورها چه نقص یا صرفاً تعویض باتری مورد نیاز است.
فناوری بلوتوث در مقیاس بزرگ IIoT می درخشد
در میان پروتکلهای بیسیم متعدد IIoT، بلوتوث راهحلی قدرتمند است که میتواند با گسترش شبکههای حسگر، طیفی از مسائل را برطرف کند. به عنوان مثال، با استفاده از پرش فرکانس تطبیقی (AFH)، فناوری بلوتوث می تواند توانایی ضد تداخل آن را بهبود بخشد. AFH داده ها را به بسته های کوچک تقسیم می کند و آنها را از طریق فرکانس های متعدد منتقل می کند و سپس آنها را در انتهای دریافت کننده دوباره ترکیب می کند. هر بسته داده از دست رفته پس از ارسال گزارش تلفات برای اطمینان از قابلیت اطمینان ارتباط و جلوگیری از از دست رفتن اطلاعات طولانی به دلیل تداخل الکترومغناطیسی، مجددا ارسال می شود.
برای جلوگیری از ازدحام بیش از حد شبکه، فناوری بلوتوث از کنترل توان انتقال نسبت به گیرنده پس از برقراری اتصال پشتیبانی می کند. این روش، همراه با AFH، به صرفه جویی در انرژی و در عین حال به حداقل رساندن EMI کمک می کند و به صدها دستگاه بی سیم اجازه می دهد در یک فضا کار کنند. علاوه بر این، فناوری بلوتوث نیز با استفاده از پروتکلهای رمزگذاری قدرتمند و تأیید الاستیک، آسیبپذیریهای امنیتی را کاهش میدهد.
در استقرار IIoT، شبکههای حسگر بلوتوث در مقیاس بزرگ عمدتاً از طریق دروازههایی که به طور خاص برای جفت شدن با چندین دستگاه طراحی شدهاند، ارتباط برقرار میکنند. با ساختن گرههای حسگر در اطراف بلوتوث، توسعهدهندگان میتوانند به قابلیت همکاری یکپارچه با گوشیهای هوشمند و تبلتها دست یابند، راهاندازی و کار تشخیصی را سادهتر کنند و کارایی تعمیر و نگهداری را بهبود بخشند.
با این حال، برای تطبیق شبکههای بیسیم با IIoT، شبکههای حسگر بلوتوث نیز باید بهطور قابل اعتمادی با شرایط سخت استقرار سازگار شوند، مصرف برق را کاهش دهند، مقرون به صرفه بودن را بهبود بخشند و تعمیر و نگهداری را سادهتر کنند.
ساخت یک شبکه IIoT با استفاده از ماژول های درجه صنعتی BLE
با استفاده از ماژول و کیت توسعه دیجی XBee 3 BLU BLE 5.4، طراحان می توانند به سرعت و به طور مستقیم شبکه های بی سیم IIoT را مستقر کنند. این ماژول دارای محدوده دمایی درجه صنعتی -40 درجه سانتیگراد تا +85 درجه سانتیگراد است و در حالت بیکار و خواب کار می کند، بنابراین نیازهای قابلیت اطمینان و مصرف برق را برآورده می کند. مصرف فعلی دستگاه XBee 3 BLU به ترتیب 7.5 میلی آمپر (mA) و 8 میکروآمپر (µA) است که می تواند از نصب طولانی مدت سنسورهای از راه دور در مکان های صعب العبور پشتیبانی کند، بنابراین می توان اطلاعات ارزشمندی را بدون نیاز به تعویض منظم باتری به دست آورد.
ویژگی های دیگر عبارتند از:
حداکثر سرعت انتقال داده ها 2 مگابیت در ثانیه (Mb/s) است که درک دقیقی از عملکرد ماشین آلات پیچیده ارائه می دهد.
حداکثر توان انتقال + 8 دسی بل میلیوات (dBm) است که میتواند در محدوده دید مستقیم تا 15 متر در داخل خانه یا تا 300 متر در خارج از منزل به ارتباط با وفاداری بالا دست یابد.
13 ورودی/خروجی دیجیتال و 4 ورودی مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) 10 بیتی، یکپارچه سازی انعطاف پذیر با دستگاه های مختلف و رابط های حسگر
منبع تغذیه 1.71 ولت تا 3.8 ولت، انتخاب منبع تغذیه انعطاف پذیر
Digi TrustFence Security برای محافظت از دستگاه و شبکه، از جمله راهاندازی امن، پورتهای سختافزار محافظتشده، و احراز هویت دستگاه
قابلیت برنامه ریزی پیشرفته MicroPython توسعه سریع سیستم های پردازش داده و تصمیم گیری را در دستگاه ها امکان پذیر می کند.
دریافت گواهینامه های نظارتی جامع از آمریکای شمالی (FCC، IC) و اروپا (ETSI)