Sådan implementeres sikker og robust trådløs forbindelse til Smart Energy og forsyningsselskaber

Trådløs kommunikation, herunder lokale netværk og cloud-tilslutning, er et vigtigt element i en række intelligente energi- og forsyningssystemer, herunder energimålere, kritisk infrastruktur, grønne energisystemer, elbiler, modernisering af nettet, det intelligente net og intelligente byer. Disse applikationer involverer ofte kantforbindelse og kræver lav latenstid, forudsigelig og sikker kommunikation, som kan understøttes ved hjælp af IEEE 802.15.4, Zigbee, Bluetooth og andre protokoller. I nogle tilfælde kan de drage fordel af en trådløs protokol med lav effekt og høj gennemstrømning som IEEE 802.11 g/n-standarden, der giver netværksadgang med høj datahastighed inden for ca. 300 meter udendørs.

Desuden skal disse trådløse enheder opfylde standarderne fra Federal Communications Commission (FCC) i USA, kravene fra European Telecommunications Standards Institute (ETSI), EN 300 328 og EN 62368-1 i Europa, Innovation, Science and Economic Development (ISED) i Canada, Ministry of Internal Affairs and Communications (MIC) i Japan og andre. Det kan være tidskrævende at designe trådløse forbindelser og opnå de nødvendige certificeringer, hvilket resulterer i øgede omkostninger og forlænger den tid, det tager at komme på markedet. I stedet kan designere henvende sig til færdigbyggede og certificerede trådløse kommunikationsmoduler og udviklingsplatforme, som nemt kan integreres i intelligente energi- og forsyningsenheder.

Denne artikel begynder med en gennemgang af flere kommunikationsmuligheder og arkitekturer for lokale netværk og cloud-forbindelse, herunder mulighederne for kablet og trådløst netværk. Derefter tilbydes adskillige trådløse platforme fra Digi, Silicon Labs, Laird Connectivity, Infineon og STMicroelectronics til implementering af sikker og robust trådløs forbindelse til intelligent energi og forsyningsselskaber, herunder udviklingsmiljøer til at fremskynde designprocessen.

Store muligheder og udfordringer

Store udfordringer følger ofte med store muligheder. Det er helt sikkert tilfældet, når man anvender intelligent energi og forsyningsselskaber i en intelligent byinfrastruktur. For det første er der behov for at integrere eksisterende og aldrende infrastruktur effektivt. Dertil kommer behovet for at udrulle geografisk spredte og teknologisk heterogene netværk, der er effektive og robuste. Endelig forventes disse net at være fleksible nok til at kunne håndtere den fremtidige teknologiske udvikling som f.eks. fremkomsten af intelligente og forbundne køretøjer.

F.eks. kan avancerede automatiserede trafikstyringssystemer øge sikkerheden, forbedre energiforbruget og mindske bilers, bussers og andre køretøjers miljøpåvirkning. I dette tilfælde er det centraliserede trafikstyringssystem forbundet til netværket via fiber- og trådløs backhaul-kommunikation med høj båndbredde. Andre systemelementer kan omfatte (figur 1):

• Ethernet- og mobilroutere, der understøtter IP-aktiverede enheder på lokalt niveau. I nogle tilfælde tilføjes Power over Ethernet (PoE) for at udvide netværkets anvendelighed og kontrollere omkostningerne.
• Ældre udstyr kan integreres via dedikerede forbindelser og serielle porte.
• Lokale Wi-Fi- og Bluetooth-enheder kan overvåge trafiktætheden og fodgængere med anonymiserede data. De resulterende data kan analyseres lokalt og sendes til det centrale trafikstyringssystem med henblik på beslutningstagning og kontrolfunktioner på højere niveau.
• En kombination af trafikkameraer, sensorer som radar eller lidar og andre datakilder anvendes af både lokale avancerede solid state trafikstyringscentre (ASTC'er) og flyttes til det centrale styringscenter til optimering af trafikstrømmene i realtid.

Figur 1: Automatiseret trafikstyring i en intelligent by omfatter alt fra Wi-Fi-registrering af fodgængere og køretøjer til trafikkameraer og ASTC-kontrollere og et centraliseret trafikstyrings- og kontrolcenter. (Billedkilde: Digi)

Den samlede energieffektivitet, den offentlige sikkerhed og de reducerede miljøpåvirkninger fra byernes veje kan forbedres ved hjælp af:

• Registrering og minimering af trafikpropper ved at ændre trafikstrømme og signaltidspunktet i næsten realtid med en kombination af lokale og centraliserede kontroller.
• Justering af signaltidspunktet for at støtte effektiv og rettidig drift af busser og andre former for massetransport.
• Førstehjælpere kan få optimeret deres ruteføring i realtid for at fremskynde deres ankomst og minimere den samlede indvirkning på den offentlige sikkerhed.

Fremtidens intelligente byer

Dagens intelligente byer er stadig mest et arbejde under udvikling. Der er rig mulighed for forbedringer og fremskridt. Fremtidens intelligente byer vil i stigende grad fokusere på integreret energieffektivitet og forbedret livskvalitet. Elektriske køretøjer (e-biler) og intelligente eller autonome køretøjer vil blive normen. De vil blive integreret i intelligente boliger, intelligent opladningsinfrastruktur, intelligente leveringssystemer og end-to-end transportsystemer, herunder tog, letbaner og busser samt elektriske robottaxaer til "last mile travel".

Beboerne vil bruge smartphones til en stadig større række formål, herunder køb af bus- og togbilletter, hvilket fremskynder processen og reducerer transportsektorens miljøpåvirkning yderligere. Selv om transport fortsat vil være den vigtigste anvendelse af e-køretøjer, er det ikke den eneste.

Erhvervskøretøjer som lastbiler, busser, fragt- og varevogne og entreprenørmaskiner står ifølge Infineon for omkring en fjerdedel af CO₂-emissionerne i en by og omkring fem procent af de samlede drivhusgasemissioner (GHG-emissioner). Der skal udvikles en integreret opladningsinfrastruktur for at kunne håndtere de større batterier i disse erhvervskøretøjer og for at kunne oplade personbiler og elcykler. Opladningsinfrastrukturen skal være sammenkoblet og styres centralt for at maksimere opladningshastigheden for de forskellige typer køretøjer og deres anvendelsesmuligheder.

For at støtte en reduktion af miljøpåvirkninger og forbedringer af livskvaliteten og effektiv udnyttelse af energi vil der være behov for komplekse trådløse realtidsnetværk, der overvåger driften af spredte vedvarende energikilder, mikronet og energilagring, optimerer energiudnyttelsen, styrer vand- og spildevandsforbruget og styrer en lang række transport- og andre systemer. Disse realtidsnetværk skal være robuste og have minimale forsinkelser (figur 2). For at understøtte smart city-infrastruktur har designere brug for værktøjer, der muliggør hurtig udvikling, implementering og opdatering af komplekse kommunikationsnetværk og tilsluttede enheder.

Figur 2: Smart city-tjenester vil være afhængige af robuste trådløse realtidsnetværk til at forbinde forskellige applikationer. (Billedkilde: Infineon)

Sikker netværksforbindelse med trådløse moduler

For hurtigt at implementere sikre netværk kan designere henvende sig til Digi's XBee RR trådløse moduler baseret på det trådløse EFR32MG21B020F1024IM32-BR-system på chip (SoC) fra Silicon Labs, der indeholder en 80 MHz ARM Cortex-M33-kerne og et integreret sikkerhedssubsystem. XBee-moduler udnytter flere trådløse protokoller og frekvensbånd som Zigbee, 802.15.4 og DigiMesh samt Bluetooth low energy (BLE) for at understøtte en bred vifte af netværksarkitekturer. DigiMesh er en peer-to-peer mesh-netværksprotokol, der kan reducere kompleksiteten ved brug af Zigbee til punkt-til-multipunkt-konfigurationer. Disse moduler understøtter BLE og tilslutning til en anden BLE-enhed.

Smartphone-forbindelser kan bruges til at konfigurere og programmere modulerne ved hjælp af XBee-mobilappen. Desuden kan udviklere bruge XCTU-konfigurationsplatformen, der er kompatibel med Windows, MacOS og Linux. XCTU bruger en grafisk netværksvisning til at forenkle konfigurationen af trådløse netværk og et API frame builder-udviklingsværktøj til hurtig opbygning af XBee API-rammer. Andre funktioner og muligheder i modulerne omfatter:

• Emballeringsmulighederne omfatter 13 mm x 19 mm mikromonterede enheder som XBRR-24Z8UM, overflademonterede moduler som XBRR-24Z8PS-J og gennemgående hulkonfigurationer som XBRR-24Z8ST-J (Figur 3).
• PRO-versionen er FCC-certificeret til brug i Nordamerika, og standardversionen opfylder ETSI-standarderne til brug i Europa.
• Konfigurationer af lav- og højtydende moduler med lav effekt
• Indendørs/bymæssig rækkevidde på op til 90 meter (m), afhængigt af forholdene
• Afhængigt af forholdene kan den udendørs rækkevidde på op til 3200 m (2 miles)
• Integreret IoT-sikkerheds-app forenkler integrationen af enhedssikkerhed, enhedsidentitet og databeskyttelse

Figur 3: Emballeringsmulighederne for Digi XBee trådløse moduler omfatter mikromontering (til venstre), overflademontering (i midten) og gennemgående hul (til højre). (Billedkilde: DigiKey)

Intelligente gateways

Sterling LWB+-modulerne fra Laird Connectivity, som f.eks. 453-00084R, er højtydende 2,4 GHz WLAN- og Bluetooth-kombinationsmoduler designet til trådløse IoT-enheder og intelligente gateways. De er baseret på AIROC CYW43439 single-chip radio IC'et fra Infineon og har et driftstemperaturområde på -40°C til +85°C, hvilket gør dem velegnede til en række intelligente forsynings-, by- og energianvendelser. Sterling LWB+-moduler har globale certificeringer, herunder FCC, ISED, EU, MIC og AS/NZS.

Sterling LWB+-moduler omfatter MAC (Medium Access Control), basebånd og radio samt en uafhængig højhastigheds-UART til Bluetooth-grænseflader. Laird Connectivity og Infineon understøtter de nyeste Android- og Linux-drivere. Den integrerede chip-antenne er modstandsdygtig over for afjustering og forenkler systemdesign og fremstilling. Sterling LWB+-serien er et system i en pakke (SIP) og kan fås med en sporingsstift, integreret chipantenne eller MHF4-stik. De omfatter også WPA/WPA2/WPA3-kryptering. Disse moduler fås i fire pakningsvarianter for at opfylde behovene i forskellige systemdesigns og applikationskrav (Figur 4).

Figur 4: Grundlæggende Sterling LWB+ SIP (til venstre), modul med MHF-stik (andet fra venstre), modul med integreret antenne (tredje fra venstre) og kortkantstik (til højre). (Billedkilde: Laird Connectivity)

Sterling-LWB+ indeholder en sikker, højtydende, sikker digital ind- og udgang (SDIO), som understøtter nem integration med ethvert Linux- eller Android-baseret system. For at fremskynde udviklingen af trådløse IoT-enheder og smarte gateways kan designere anvende udviklingssættet 453-00084-K1, som indeholder modulet 453-00084R med et integreret MHF-stik (Figur 5).

Figur 5: Dette dev board indeholder Lairds 453-00084R Sterling LWB+-modul med et integreret MHF-stik (Billedkilde: Laird Connectivity)

Trådløse sensorknudepunkter i industriel kvalitet

Trådløse sensorknuder er en vigtig del af smart energi og forsyningsselskaber i intelligente byer. STMicroelectronics tilbyder STEVAL-STWINKT1B SensorTile-udviklingssættet og referencedesignet for at hjælpe designere med at håndtere kompleksiteten ved hurtigt at designe, lave prototyper og teste avancerede trådløse sensorknudepunkter. Den omfatter et X-NUCLEO-SAFEA1A-udvidelseskort, der understøtter IoT-enhedsgodkendelse og sikker datahåndtering, et BLUENRG-M2SA Bluetooth-transceivermodul og en IMP23ABSUTR MEMS-mikrofon. MEMS-mikrofonen er designet til at blive brugt sammen med den indbyggede mikrocontroller med ultralav strømforsyning til vibrationsanalyse af 9 frihedsgrader (DoF) bevægelsesaftastningsdata inden for et bredt spektrum af vibrationsfrekvenser fra 35 Hz til ultralyd. Den indeholder også et accelerometer, et gyroskop, en fugtighedssensor, et magnetometer samt tryk- og temperatursensorer.

SensorTile Dev Kit omfatter adgang til en række softwarepakker, firmware-biblioteker og cloud dashboard-applikationer for at fremskynde udviklingen af omfattende end-to-end IoT-sensorsystemer. Et integreret modul giver BLE-tilslutning, RS484-transceiveren understøtter kablede forbindelser, og STEVAL-STWINWFV1 plugin-udvidelseskortet giver Wi-Fi-tilslutning. Hovedkortet indeholder et STMod+-stik til tilføjelse af datterkort med lille formfaktor baseret på STM32-familien af mikrocontrollere. Endelig består udviklingssættet af et 480 mAh Li-polymer-batteri, en STLINK-V3MINI standalone debugging- og programmeringssonde og en plastkasse (figur 6).

Figur 6: STEVAL-STWINKT1B SensorTile udviklingssættet og referencedesignet omfatter en omfattende pakke af miljøsensorer og understøttelse af flere tilslutningsmuligheder. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Sammenfatning

Der er behov for en række trådløse forbindelsesprotokoller for at opfylde behovene for intelligente energi- og forsyningssystemer i intelligente byer. Disse systemer kan øge energieffektiviteten, forbedre den offentlige sikkerhed, støtte en mere effektiv vand- og energianvendelse og reducere CO₂- og drivhusgasemissionerne. Som det fremgår, findes der en række trådløse moduler og udviklingsmiljøer til trådløse protokoller med Wi-Fi, Zigbee og Bluetooth med lavt energiforbrug, som kan give den sikre og robuste forbindelse, der er nødvendig for intelligent energi og forsyningsselskaber i intelligente byinfrastrukturer.