Hurtig implementering af et eksternt industrielt mobilt IoT-slutpunkt ved hjælp af en LTE-mikrocontroller og -router

I takt med, at IoT-applikationer (Internet of Things) vokser, er rækkevidden for deres tilknyttede netværk nødt til at følge med. Wi-Fi, Bluetooth og ZigBee kan give praktisk adgang til trådløse netværk i nærheden af eller i industrielle anlæg, men visse industrielle IoT-netværk (IIoT) kræver fjernovervågning og styring af systemer i marken, der kan være mange kilometer væk eller spredt beliggende – ofte på steder, der er besværlige og tidskrævende for vedligeholdelsesteknikere at tage til. I disse situationer er mobilnetværk den bedste trådløse løsning.

Denne artikel redegør for IIoT-applikationers behov for fjernovervågning og -styring af data på mange kilometers afstand via mobilnetværk, og beskriver fordelene ved en ekstern IIoT-node, der skal spare strøm med minimal eller ingen vedligeholdelse. Derefter gives der en introduktion til en mobilnetværksbaseret mikrokontroller fra Nordic Semiconductor, der kan overføre data via et LTE-netværk til en DIN-skinnemonteret mobilnetværksrouter fra Phoenix Contact.

Udvidet IIoT-netværk

Konventionelle IIoT-netværk er placeret på ét sted, som f.eks. et produktionsanlæg, et automatiseret lager eller en udendørs park. Netværksforbindelsen til hubben kan være kabelforbundet som med industrielt Ethernet eller trådløs som med Wi-Fi eller ZigBee. Dette kan nemt administreres fra en central placering, hvor der er adgang til IIoT-netværkets slutpunkter, hvilket giver mulighed for effektiv vedligeholdelse eller udskiftning.

I takt med at IIoT er vokset, er det samme sket med anvendelsesområderne. For at øge effektiviteten og den umiddelbare styring af netværkene er det nødvendigt, at anlægslederne aktivt overvåger og styrer fjernsystemer med minimal forsinkelse mellem fjernsystemet og hubben i hovedkvarteret. Transportsystemer som f.eks. tog og undergrundsbaner samt vognmandsbranchen kan med fordel benytte forskellige sensorer på motoren eller den elektriske motor sammen med data om brændstof- og energiforbrug, hastighed og afstand samt GPS-positionering til sporing af placering og beregning af tid til destination. Disse data sendes til hovedanlægget eller virksomhedens hovedkvarter, hvor de analyseres. Dataene kan bruges næsten øjeblikkeligt til at forbedre effektiviteten og forebygge fejl og dermed spare tid, reducere omkostningerne og øge pålideligheden.

Olie- og gasledninger drager fordel af IIoT-netværk i form af overvågning af volumen og tryk i rørledningen samt miljøforhold såsom temperatur, barometrisk tryk og fugtighed. Nøjagtig GPS-positionsovervågning kan sammen med vibrations- og gyroskopsensorer registrere bevægelse på rørledningen, der er frembragt af eksterne kræfter som f.eks. seismiske hændelser. I nogle tilfælde kan gennemstrømningen gennem rørledningen reduceres eller stoppes via fjernstyring, hvis der registreres en nødsituation som f.eks. jordskælv. Udstyr kan udføre selvdiagnosticering, og resultaterne heraf sendes til fabrikken med henblik på analyse.  Da disse rørledninger kan befinde sig mange tusinde kilometer fra hovedkvarteret i barske miljøer som f.eks. polarcirklen, er det vigtigt, at slutpunktet er i besiddelse af et fuldstændig pålideligt kommunikationsnetværk.

Det er her, at det mobilnetværksbaserede IoT kommer ind i billedet

For at imødekomme disse behov er IIoT-netværk blevet udvidet til at sende data over eksisterende LTE-mobilnetværk. Det er dermed muligt at placere et IIoT-slutpunkt næsten hvor som helst i verden, hvor der er en LTE-forbindelse, så længe der også er en strømkilde, der kan vedligeholdes – med den yderligere fordel at omkostningerne til og arbejdet med vedligeholdelse af mobilnetværket er mobilselskabernes ansvar. Da disse systemer kan være beliggende på fjerntliggende, svært tilgængelige, ikke-overvågede steder, skal det eksterne, mobilnetværksbaserede IIoT-slutpunkt være pålideligt og modstandsdygtigt over for hacking og fysisk manipulation.

Det første skridt på vejen mod et pålideligt integreret system til IIoT er at holde systemet enkelt og samtidig minimere strømforbruget. Hvis systemet holdes enkelt, reduceres antallet af fejlpunkter. Reduktion af strømforbruget øger pålideligheden ved at reducere varmen, hvilket forlænger de fleste halvlederenheders brugslevetid samt forbedrer batterilevetiden for batteridrevne IIoT-slutpunkter.

For at opfylde disse krav har Nordic Semiconductor introduceret nRF9160 LTE IoT-mikrocontrolleren til mobilnetværk. nRF9160 forenkler udviklingen af IIoT-slutpunkter til mobilnetværk ved at integrere et komplet LTE-modem i chippen, der overholder de nyeste datastandarder for IoT over mobilnetværk og maskine-til-maskine (M2M) (figur 1).

<Figur 1: Nordic Semiconductor nRF9160 LTE-mikrocontrolleren er baseret på Arm® Cortex®-M33-kernen. Den er udstyret med alt det eksterne udstyr, der er nødvendigt for at opbygge et mobilnetværksbaseret IoT-slutpunkt, der omfatter et LTE-modem og et GPS-modul. (Billedkilde: Nordic Semiconductor)

Nordic Semiconductor nRF9160 er baseret på en 64 MHz Arm Cortex-M33-processorkerne, som specifikt er rettet mod IoT-applikationer med lavt strømforbrug. Cortex-M33 understøtter MAC-encyklushandlinger (multiply and accumulate) og er udstyret med enkeltpræcisions-FPU (Floating Point Unit), hardwarebaseret division samt SIMD (Single-Instruction Multiple Data). Dette er nyttigt til hurtig behandling af sensordata som f.eks. i sensorfusionsberegninger. Cortex-M33 er særdeles deterministisk, selv når den starter og forlader lavenergitilstand, med understøttelse af drift i realtid.

nRF9160-mikrocontrolleren er forsynet med 1 MB (megabyte) integreret flash-hukommelse til applikationsfirmware og 256 KB (kilobyte) "low-leakage" RAM. Den er forsynet med et Arm TrustZone-undersystem til kryptografiske handlinger, herunder AES-kryptering, en TRNG (True Random Number Generator) og sikker administration af adgangskoder. Dette er praktisk med henblik på bekræftelse af krypteret datakommunikation og detektering af firmwaremanipulation. Serielle standardgrænseflader, der er integreret i chippen, omfatter SPI-, I²C- og UART-porte til tilslutning af eksterne sensorer og aktuatorer. En otte-kanalers, ukomprimeret 12-bit (14-bit med oversampling) ADC (analog til digital-konverter) er praktisk til analoge sensoraflæsninger.

nRF9160 har også en integreret GPS-modtager, der er optimeret til IoT-slutpunkter med lavt effektforbrug. Dette er især praktisk til mobile slutpunkter i f.eks. lastbiler og tog. Det er også nyttigt til systemer, der utilsigtet kan ændre position på grund af seismisk aktivitet, eller til registrering af forsætlig bevægelse, hvis slutpunktet er monteret på en bevægelig enhed som f.eks. robotudstyr. GPS-modtageren deler den integrerede RF-transceiver med LTE-modemmet. Hvis både LTE-modemmet og GPS-modtageren er aktive, bliver tidsmultipleksforbindes den delte RF-transceiver med GPS-modulet og LTE-modemmet; LTE-modemmet prioriteres.

LTE-modemmet på nRF9160 består af en værtskontrolprocessor med dedikeret flash-hukommelse og RAM, en baseband-processor, en RF-transceiver med en ekstern antenne på 50 ohm (Ω) og en SIM-kort-grænseflade. Med henblik på at øge kommunikationsstabiliteten er LTE-modemmet udstyret med sin egen diagnosticering og fejlregistrering. LTE-modemmet understøtter M2M- og IoT-datakommunikationsprotokoller med lavt effektforbrug, herunder Cat-M1, Cat-NB1 og Cat-NB2.

For at kunne udveksle data via et LTE-netværk kræver LTE-modemmet et almindeligt SIM-kort, der indeholder det trådløse netværk, telefonnummeret og abonnentoplysningerne. nRF9160 LTE-værtsprocessoren er forsynet med en ekstern UICC-grænseflade (Universal Integrated Circuit Card), også kaldet en SIM-kortgrænseflade, med henblik på at oprette forbindelse til ethvert aktiveret SIM-kort, der er kompatibelt med datatransmissionsstandarderne LTE-M eller NB-IoT (Narrowband IoT).

Hvert nRF9160 LTE-slutpunkt skal bruge for et SIM-kort med et passende dataabonnement fra et mobilselskab. Det er muligt at købe et SIM-kort og et mobildataabonnement til netværksforbundne IoT-enheder fra Digi-Key. Abonnementerne fås med datakapaciteter fra 300 KB op til 5 GB (gigabyte) pr. måned.

nRF9160 understøtter driftsspændinger fra 3,0 til 5,5 volt, hvilket gør den egnet til brug med batteridrevne IIoT-slutpunkter med et 3,7 volts litiumbatteri. Drift ved 3,7 volt anbefales, da de fleste af enhedens specifikationer gælder for forsyningsspænding på 3,7 volt. De fleste strømdomæner til eksternt udstyr og processormoduler i nRF9160 er konfigurerbare, og strømmen kan tændes og slukkes under firmwarekontrol. Dette gør det muligt for udviklere at finjustere strømstyrkeforbruget med henblik på at opfylde specifikke krav til forskellige anvendelsesformål.

nRF9160 har en strømbesparende tilstand, der aktiverer kernens dvaletilstand (grundlæggende registertilstande bevares), samt slukker for LTE-modemmet og de fleste eksterne enheder. For et IIoT-slutpunkt, der skal holde styr på tiden, trækker nRF9160 med realtidstælleren i strømbesparende tilstand kun 2,35 μA (mikroampere), hvilket er et imponerende lavt strømforbrug for en batteridrevet enhed.

GPS-modulet trækker betydeligt mere – 47 mA (milliampere) – når det sporer kontinuerligt. Det er dog mere praktisk at køre GPS'en i strømbesparende tilstand, da den således kun bruger 12 mA. Dette er velegnet til tog eller lastbiler, der kræver kontinuerlig overvågning i realtid. En endnu mere strømbesparende løsning er at konfigurere GPS'en til at registrere den aktuelle placering én gang hvert andet minut, hvilket kun kræver 1,3 mA. Dette er velegnet til faste noder, der kun har brug for periodisk registrering af bevægelse.

Når du kommunikerer via en LTE-M-protokol, kan nRF9160 sende data med op til 375 Kbps (kilobit pr. sekund). NB-IoT-protokollen med lavere datahastighed leverer op til 60 Kbps. Disse lave datahastigheder sparer strøm, samtidig med at der opretholdes pålidelig kommunikation mellem slutpunktet og hubben. LTE-modemmet understøtter også Transport Layer Security (TLS), der giver mulighed for sikker, krypteret kommunikation for at hjælpe med at forhindre man-in-the-middle-angreb eller uautoriseret opsnapning af transmitterede data.

nRF9160 fungerer i temperaturer fra -40 til +85 °C, hvilket gør den velegnet til ekstremt kolde og de fleste meget varme omgivelser.

LTE-radioen giver op til 23 dBm udgangseffekt til antennen. Den er kompatibel med IPv4 og den seneste IPv6-protokol, så den er let at udvide til nye IP-adresser uden begrænsningerne i IPv4. LTE-modemmet understøtter også SMS-beskeder. Dette gør det muligt for IIoT-slutpunktet at sende og modtage SMS-data på samme måde som en mobiltelefon, men i stedet for at sige "hej", kan beskederne bruges til at modtage sensordata og sende driftskommandoer.

LTE-slutpunktsudvikling

For at støtte udviklingen af nRF9160 leverer Nordic Semiconductor nRF6943 Nordic Thingy:91 udviklingskortet til mobilnetværk (figur 2). Kortet leveres som en del af et praktisk kit i en lys orange kasse, der stort set kan udrulles som det er til hurtig implementering.

Figur 2: Nordic Semiconductor nRF6943 Thingy:91 er et komplet udviklingskit til mobilnetværk med et væld af sensorer og pins, der kan tilsluttes eksterne enheder. Den har en kortplads til et SIM-kort. (Billedkilde: Nordic Semiconductor)

nRF6943-udviklingskittet leveres med et genopladeligt 1400 mAh litium-polymer-batteri, der oplades via USB-porten. USB-porten bruges også til at slutte nRF6943 til en pc med henblik på firmwareudvikling, programmering og fejlfinding.

nRF6943 Thingy:91-udviklingskittet leveres med en række indbyggede sensorer, herunder et lavstrømsaccelerometer, et høj-g-accelerometer, en lys- og farvesensor samt en port til måling af strømstyrke. En miljøsensor registrerer temperatur, luftfugtighed, luftkvalitet og lufttryk. Der kan fås individuelle portpins til tilslutning af yderligere eksterne sensorer. Desuden driver nRF9160 fire effekt-MOSFET'er, der kan bruges til at strømforsyne små DC-motorer eller LED'er med høje strømstyrkekrav. En magnetisk brummer og tre RGB-LED'er sørger for hørbar og visuel feedback under udviklingen. Der er også to knapper, der kan programmeres via applikationsfirmware.

Oprettelse af forbindelse til hovedkvarterets hub

Et IIoT nRF9160-slutpunkt kan placeres et hvilket som helst sted i verden, så længe der er en LTE-forbindelse. IIoT-slutpunktet kan via et trådløst mobilnetværk overføre data til en mobilrouter som f.eks. Phoenix Contact 1010464 4G LTE-routeren (figur 3) i hovedkvarterets hub.

Figur 3: Phoenix Contact 1010464-mobilrouteren er en industriel 4G LTE-router med en integreret firewall og VPN-understøttelse (virtuelt privat netværk). (Billedkilde: Phoenix Contact)

Denne Phoenix Contact 1010464 4G LTE-router er udviklet til barske industrielle miljøer og kan etablere forbindelse til AT&T-mobilnetværket i USA. På bagsiden er der en kortplads til et SIM-kort. Routeren er DIN-skinnemonteret med henblik på praktisk integration i et eksisterende DIN-skinnesystem med minimal hardwarekonfiguration. Routerens placering skal gøre det muligt at modtage et klart mobilsignal. Både IIoT-slutpunktets firmware og denne mobilrouter skal konfigureres med telefonnumrene for de pågældende SIM-kort, så de kan kommunikere sikkert og effektivt. LTE-routeren har en firewall, der sørger for ekstra sikkerhed, og du kan nemt blokere for uautoriseret LTE-forbindelse fra ikke-autoriserede telefonnumre samt mistænkelige pakker, der stammer fra autoriserede numre. VPN-understøttelse giver mulighed for mere sikker datakommunikation. LTE-mobilrouteren har en switch med fire porte på forsiden og kommunikerer med det lokale netværk via Ethernet.

Denne kombination af et energibesparende IIoT-slutpunkt og en LTE-mobilrouter giver mulighed for nem kommunikation mellem hovedkvarterets hub og det industrielle slutpunkt, hvor kommunikationshastigheden kun begrænses af mobilnetværkets båndbredde.

Konklusion

Som vist kan IIoT-netværk nemt udvides til at omfatte slutpunkter overalt i verden. Når en mikrocontroller med lavt effektforbrug anvendes sammen med et integreret LTE-mobilmodem, spares der tid og designomkostninger, og når den er konfigureret korrekt, kan den sende data til en mobilrouter i hovedkvarterets hub 24 timer i døgnet.