Hoe veilige en robuuste draadloze connectiviteit te implementeren voor slimme energie- en nutsbedrijven

Draadloze communicatie, waaronder lokale netwerken en cloudconnectiviteit, is een essentieel onderdeel van een reeks slimme energie- en nutsvoorzieningen, waaronder energiemeters, kritische infrastructuur, groene energiesystemen, elektrische voertuigen, modernisering van het netwerk, het slimme netwerk en slimme steden. Deze toepassingen omvatten vaak randverbindingen en vereisen een lage latentie, voorspelbare en veilige communicatie die kan worden ondersteund met behulp van IEEE 802.15.4, Zigbee, Bluetooth en andere protocollen. In sommige gevallen kunnen zij profiteren van een draadloos protocol met laag stroomverbruik en hoge doorvoer, zoals de IEEE 802.11 g/n-norm, die binnen een straal van ongeveer 300 meter buitenshuis toegang biedt tot een netwerk met hoge datasnelheid.

Bovendien moeten deze draadloze apparaten voldoen aan de normen van de Federal Communications Commission (FCC) in de VS, de vereisten van het Europees Instituut voor telecommunicatienormen (ETSI) en EN 300 328 en EN 62368-1 in Europa, Innovation, Science and Economic Development (ISED) in Canada, het ministerie van Binnenlandse Zaken en Communicatie (MIC) in Japan, en andere. Het ontwerpen van draadloze connectiviteit en het verkrijgen van de vereiste certificeringen kan tijdrovend zijn, wat leidt tot hogere kosten en een langere doorlooptijd. In plaats daarvan kunnen ontwerpers zich wenden tot vooraf ontworpen en gecertificeerde draadloze communicatiemodules en ontwikkelingsplatforms die gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd in slimme energie- en nutsapparaten.

Dit artikel begint met een overzicht van verschillende communicatieopties en architecturen voor lokale netwerken en cloud-connectiviteit, waaronder bekabelde en draadloze netwerkopties. Vervolgens biedt het verschillende draadloze platforms van Digi, Silicon Labs, Laird Connectivity, Infineon en STMicroelectronics voor de inzet van veilige en robuuste draadloze connectiviteit voor slimme energie en nutsvoorzieningen, inclusief ontwikkelomgevingen om het ontwerpproces te versnellen.

Grote kansen en uitdagingen

Grote uitdagingen gaan vaak gepaard met grote kansen. Dat is zeker het geval bij het inzetten van slimme energie en nutsvoorzieningen in slimme stadsinfrastructuur. Ten eerste moet de bestaande en verouderde infrastructuur doeltreffend worden geïntegreerd. Dan is er nog de noodzaak om geografisch verspreide en technologisch heterogene netwerken op te zetten die efficiënt en robuust zijn. Ten slotte zullen deze netwerken naar verwachting de flexibiliteit bieden om toekomstige technologische ontwikkelingen, zoals de opkomst van slimme en gekoppelde voertuigen, op te vangen.

Zo kunnen geavanceerde geautomatiseerde verkeersbeheersystemen de veiligheid verhogen, het energieverbruik verbeteren en het milieueffect van auto's, bussen en andere voertuigen verminderen. In dit geval is het gecentraliseerde verkeersbeheersysteem verbonden met het netwerk via glasvezel- en draadloze backhaulcommunicatie met hoge bandbreedte. Andere systeemelementen kunnen zijn (Afbeelding 1):

• Ethernet- en cellulaire routers die IP-apparaten op lokaal niveau ondersteunen. In sommige gevallen wordt Power over Ethernet (PoE) toegevoegd om het netwerkgebruik uit te breiden en de kosten te beheersen.
• Legacy-apparatuur kan worden geïntegreerd via speciale verbindingen en seriële poorten.
• Lokale Wi-Fi- en Bluetooth-apparaten kunnen verkeersdichtheden en voetgangers monitoren met geanonimiseerde gegevens. De resulterende gegevens kunnen lokaal worden geanalyseerd en naar het centrale verkeersbeheersysteem worden gestuurd voor besluitvorming en controlefuncties op een hoger niveau.
• Een combinatie van verkeerscamera's, sensors zoals radar of lidar, en andere gegevensbronnen wordt gebruikt door zowel lokale advanced solid state traffic controllers (ASTC's) als doorgegeven aan de gecentraliseerde beheerscentrale voor real-time optimalisering van de verkeersstromen.

Afbeelding 1: Geautomatiseerd verkeersbeheer in een slimme stad gaat van Wi-Fi-detectie van voetgangers en voertuigen tot verkeerscamera's en ASTC-controllers en een gecentraliseerde verkeersbeheers- en controlecentrale. (Bron afbeelding: Digi))

De algemene energie-efficiëntie, de openbare veiligheid en de verminderde milieueffecten van stedelijke wegen kunnen worden verbeterd door gebruik te maken van:

• Opsporen en minimaliseren van congestie door het wijzigen van verkeersstromen en signaaltiming in bijna real-time met een combinatie van lokale en gecentraliseerde controles.
• Aanpassing van de signaaltijden om een efficiënte en tijdige bediening van bussen en andere vormen van openbaar vervoer te ondersteunen.
• Eerstehulpverleners kunnen in real time geoptimaliseerde routes krijgen om hun aankomst te versnellen en de algemene impact op de openbare veiligheid te minimaliseren.

Slimme steden van de toekomst

De huidige slimme steden zijn nog grotendeels een werk in uitvoering. Er zijn volop mogelijkheden voor verbeteringen en vorderingen. Toekomstige slimme steden zullen steeds meer gericht zijn op geïntegreerde energie-efficiëntie en een betere levenskwaliteit. Elektrische voertuigen (e-voertuigen) en slimme of autonome voertuigen zullen de norm worden. Ze zullen worden geïntegreerd in slimme woningen, slimme oplaadinfrastructuur, slimme leveringssystemen en end-to-end transportsystemen, waaronder treinen, lightrail en bussen, en elektrische robo-taxi's voor "last mile travel".

Inwoners zullen smartphones voor steeds meer doeleinden gebruiken, waaronder het kopen van bus- en treinkaartjes, waardoor het proces wordt versneld en de milieueffecten van vervoer verder worden verminderd. Hoewel vervoer het belangrijkste gebruik van e-voertuigen zal blijven, is het niet het enige.

Bedrijfsvoertuigen zoals vrachtwagens, bussen, vracht- en bestelwagens en bouwmachines zijn goed voor ongeveer een kwart van de CO₂-uitstoot in een stad en ongeveer vijf procent van de totale uitstoot van broeikasgassen (BKG), volgens Infineon. Er zal een geïntegreerde laadinfrastructuur moeten worden ontwikkeld om de grotere batterijen in deze bedrijfsvoertuigen op te vangen, naast het opladen van passagiersvoertuigen en e-bikes. De laadinfrastructuur moet onderling verbonden zijn en centraal worden gecontroleerd om de laadsnelheid voor de verschillende soorten voertuigen en hun gebruikssituaties te maximaliseren.

Ter ondersteuning van minder milieueffecten en verbeteringen in de levenskwaliteit en het efficiënte gebruik van energie zullen complexe draadloze realtimenetwerken nodig zijn die de werking van verspreide hernieuwbare energiebronnen, microgrids en energieopslag bewaken, het energiegebruik optimaliseren, het water- en afvalwatergebruik beheren en een breed scala van vervoers- en andere systemen beheren. Deze realtime netwerken moeten robuust zijn en minimale latenties hebben (Afbeelding 2). Om de infrastructuur van slimme steden te ondersteunen, hebben ontwerpers instrumenten nodig waarmee complexe communicatienetwerken en aangesloten apparaten snel kunnen worden ontwikkeld, ingezet en bijgewerkt.

Afbeelding 2: Slimme stadsdiensten zullen afhankelijk zijn van robuuste, real-time draadloze netwerken om diverse toepassingen met elkaar te verbinden. (Bron afbeelding: Infineon)

Veilig netwerken met draadloze modules

Om snel beveiligde netwerken te implementeren kunnen ontwerpers zich wenden tot Digi's XBee RR draadloze modules gebaseerd op de EFR32MG21B020F1024IM32-BR draadloze system on chip (SoC) van Silicon Labs die een 80 MHz ARM Cortex-M33-kern en een geïntegreerd beveiligingssubsysteem bevat. XBee-modules maken gebruik van meerdere draadloze protocollen en frequentiebanden zoals Zigbee, 802.15.4, en DigiMesh, evenals Bluetooth low energy (BLE) om een breed scala aan netwerkarchitecturen te ondersteunen. DigiMesh is een peer-to-peer meshnetwerkprotocol dat de complexiteit van het gebruik van Zigbee voor point-to-multipoint-configuraties kan verminderen. Deze modules ondersteunen BLE en verbinding met een ander BLE-apparaat.

Smartphoneverbindingen kunnen worden gebruikt om de modules te configureren en te programmeren met behulp van de mobiele XBee-app. Bovendien kunnen ontwikkelaars het XCTU-configuratieplatform gebruiken dat compatibel is met Windows, MacOS en Linux. XCTU gebruikt een grafische netwerkweergave om de configuratie van draadloze netwerken te vereenvoudigen en een API-framebuilder-ontwikkelingstool om snel XBee API frames te bouwen. Andere functies en opties van de modules zijn onder meer:

• De verpakkingsmogelijkheden omvatten 13 mm x 19 mm micro montage-apparaten zoals de XBRR-24Z8UM, opbouwmontage modules zoals de XBRR-24Z8PS-J, en doorgatconfiguraties zoals de XBRR-24Z8ST-J (Afbeelding 3).
• De PRO-versie is FCC-gecertificeerd voor gebruik in Noord-Amerika, en de standaardversie voldoet aan de ETSI-normen voor gebruik in Europa.
• Moduleconfiguraties met laag en hoog vermogen
• Bereik binnenshuis/stadsgebied tot 90 meter (m) (300 voet), afhankelijk van de omstandigheden
• Afhankelijk van de omstandigheden kan het gezichtsveld buiten tot 3200 m reiken.
• Geïntegreerde IoT-beveiligingsapp vereenvoudigt de integratie van apparaatbeveiliging, apparaatidentiteit en gegevensprivacy

Afbeelding 3: Verpakkingsopties voor Digi XBee draadloze modules zijn micromontage (links), opbouwmontage (midden), en doorgat (rechts). (Bron afbeelding: DigiKey)

Slimme poorten

De Sterling LWB+ modules van Laird Connectivity, zoals de 453-00084R zijn krachtige 2,4 GHz WLAN en Bluetooth combo modules die zijn ontworpen voor draadloze IoT apparaten en slimme gateways. Ze zijn gebaseerd op de AIROC CYW43439 single-chip radio-IC van Infineon en hebben een bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +85 °C, waardoor ze geschikt zijn voor een reeks slimme nutsvoorzieningen en slimme stads- en energietoepassingen. Sterling LWB+ modules hebben wereldwijde certificeringen, waaronder FCC, ISED, EU, MIC en AS/NZS.

Sterling LWB+ modules omvatten de medium access control (MAC), baseband, en radio, plus een onafhankelijke high-speed UART voor Bluetooth-interfaces. Laird Connectivity en Infineon ondersteunen de nieuwste Android en Linux drivers. De geïntegreerde chipantenne is bestand tegen ontstemming en vereenvoudigt het systeemontwerp en de fabricage. De Sterling LWB+ serie is een system in package (SIP) en is verkrijgbaar met een trace-pin, geïntegreerde chipantenne of MHF4-connector. Ze omvatten ook WPA/WPA2/WPA3-codering. Deze modules zijn verkrijgbaar in vier verpakkingsstijlen om te voldoen aan de behoeften van uiteenlopende systeemontwerpen en toepassingsvereisten (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Basis Sterling LWB+ SIP (links), module met MHF-connector (tweede van links), module met geïntegreerde antenne (derde van links) en kaartrandconnector (rechts). (Bron afbeelding: Laird Connectivity)

De Sterling-LWB+ bevat een veilige, krachtige, beveiligde digitale in- en uitgang (SDIO) die eenvoudige integratie met elk op Linux of Android gebaseerd systeem ondersteunt. Om de ontwikkeling van draadloze IoT-apparaten en slimme gateways te versnellen, kunnen ontwerpers zich wenden tot de 453-00084-K1-ontwikkelingskit, die de 453-00084R-module met een geïntegreerde MHF-connector bevat (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Dit ontwikkelingsbord bevat Laird's 453-00084R Sterling LWB+ module met een geïntegreerde MHF-connector (Bron afbeelding: Laird Connectivity).

Draadloze industriële sensorknooppunten

Draadloze sensorknooppunten zijn een belangrijk onderdeel van slimme energie en nutsvoorzieningen in slimme steden. Om ontwerpers te helpen omgaan met de complexiteit van het snel ontwerpen, prototypen en testen van geavanceerde draadloze sensorknooppunten, biedt STMicroelectronics de STEVAL-STWINKT1B SensorTile-ontwikkelingskit en het referentieontwerp. Het omvat een uitbreidingsbord X-NUCLEO-SAFEA1A die IoT-apparaatverificatie en veilig gegevensbeheer ondersteunt, een BLUENRG-M2SA Bluetooth-zendontvangermodule en een IMP23ABSUTR MEMS-microfoon. De MEMS-microfoon is ontworpen voor gebruik met de ultralaagvermogen onboard microcontroller voor trillingsanalyse van 9 vrijheidsgraden (DoF) bewegingsdetectiegegevens over een breed spectrum van trillingsfrequenties van 35 Hz tot ultrasoon. Het bevat ook een versnellingsmeter, gyroscoop, vochtigheidssensor, magnetometer en druk- en temperatuursensors.

De SensorTile-ontwikkelingskit omvat toegang tot een reeks softwarepakketten, firmwarebibliotheken en cloud dashboard-applicaties om de ontwikkeling van uitgebreide end-to-end IoT-sensorsystemen te versnellen. Een geïntegreerde module biedt BLE-connectiviteit, de RS484-zendontvanger ondersteunt bekabelde verbindingen, en het STEVAL-STWINWFV1 plugin-uitbreidingsbord biedt Wi-Fi-connectiviteit. Het hoofdbord bevat een STMod+ connector voor het toevoegen van dochterborden met een kleine vormfactor, gebaseerd op de STM32-familie van microcontrollers. Ten slotte bestaat de ontwikkelingskit uit een 480 mAh Li-polymeer batterij, een STLINK-V3MINI standalone debugging- en programmeerprobe, en een plastic doosje (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De STEVAL-STWINKT1B SensorTile-ontwikkelingskit en het referentieontwerp omvatten een uitgebreide reeks omgevingssensoren en ondersteuning voor verschillende connectiviteitsopties. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Samenvatting

Er is een reeks draadloze connectiviteitsprotocollen nodig om de behoeften van slimme energie- en nutsvoorzieningen in slimme steden te ondersteunen. Die systemen kunnen de energie-efficiëntie verhogen, de openbare veiligheid verbeteren, een efficiënter water- en energieverbruik ondersteunen en de uitstoot van CO₂ en broeikasgassen verminderen. Zoals blijkt, zijn er diverse draadloze modules en ontwikkelingsomgevingen voor Wi-Fi, Zigbee en draadloze protocollen met een laag energieverbruik van Bluetooth die de veilige en robuuste connectiviteit kunnen bieden die nodig is voor slimme energie en nutsvoorzieningen in infrastructuren van slimme steden.