Snelle implementatie van een Remote Industrial IoT Cellular Endpoint met behulp van een LTE-microcontroller en -router

Naarmate het Internet of Things (IoT) wordt uitgebreid, moet ook het bereik van de bijbehorende netwerken worden vergroot. Terwijl Wi-Fi, Bluetooth, en Zigbee beschikbaar kunnen zijn voor handige draadloze netwerken in de buurt van of binnen een industriële faciliteit, vereisen sommige industriële IoT (IIoT)-netwerken controles van systemen op het gebied die vele mijlen ver kunnen zijn of wijd verspreid - vaak op locaties die moeilijk en tijdrovend zijn voor onderhoudstechnici om te bereiken. Voor deze situaties is een cellulair netwerk de beste draadloze oplossing.

Dit artikel legt de noodzaak uit voor het monitoren en controleren van gegevens op afstand in sommige IIoT-toepassingen die zich op vele kilometers afstand bevinden en beschrijft de voordelen van een extern IIoT-knooppunt dat energie moet besparen met minimaal of geen onderhoud. Vervolgens wordt een cellulaire microcontroller van Nordic Semiconductor geïntroduceerd die gegevens via een LTE-netwerk naar een op een DIN-rail gemonteerde cellulaire router van Phoenix Contact kan verzenden.

Uitgebreide IIoT-netwerken

Conventionele IIoT-netwerken bevinden zich op één locatie, zoals een productiefaciliteit, een geautomatiseerd magazijn of een buitenpark. Netwerken naar de hub kunnen worden bekabeld zoals bij industrieel Ethernet, of draadloos zoals bij Wi-Fi of Zigbee. Dit is eenvoudig te beheren vanaf een centrale locatie waar de locatie van de eindpunten op het IIoT-netwerk gemakkelijk te bereiken is, wat een efficiënt onderhoud of vervanging mogelijk maakt.

Naarmate het IIoT is uitgebreid, zijn de use-cases ook toegenomen. Voor meer efficiëntie en onmiddellijke controle van netwerken moeten facilitaire managers actief toezicht houden op en controle uitoefenen over systemen op afstand met een minimale vertraging tussen het systeem op afstand en de hub op het hoofdkwartier. Transportsystemen zoals treinen, metro's en interstatelijke vrachtwagens kunnen profiteren van het monitoren van verschillende sensoren op de motor of elektrische motor, samen met brandstof- en energieverbruik, snelheid en afstand, evenals GPS-positionering voor het volgen van de locatie en het inschatten van de tijd tot aan de bestemming. Deze gegevens worden naar de hoofdvestiging of het hoofdkantoor gestuurd en geanalyseerd. De gegevens kunnen vrijwel onmiddellijk worden gebruikt om tijd en geld te besparen door de efficiëntie te verbeteren en storingen te voorkomen, waardoor de kosten worden verlaagd en de betrouwbaarheid wordt vergroot.

Olie- en gaspijpleidingen profiteren van IIoT-netwerken door het monitoren van het volume en de druk in de pijpleiding, samen met omgevingscondities zoals temperatuur, barometerstand en luchtvochtigheid. Precisie GPS-locatiebewaking samen met vibratie- en gyroscoopsensoren kunnen beweging op de pijpleiding detecteren als gevolg van externe krachten, zoals seismische gebeurtenissen. In sommige gevallen kan de doorstroming door de pijpleiding op afstand worden beperkt of stopgezet als reactie op een gedetecteerde noodsituatie, zoals een aardbeving. De apparatuur kan de zelfdiagnose uitvoeren en de resultaten naar de fabriek sturen voor analyse. Aangezien deze pijpleidingen vele duizenden kilometers van het hoofdkwartier kunnen worden gelokaliseerd in ruwe omgevingen zoals de poolcirkel, is het belangrijk dat het eindpunt een volledig betrouwbaar communicatienetwerk heeft.

Voer het cellulaire IoT in

Om aan deze behoeften te voldoen, heeft het IIoT-netwerk zich uitgebreid om gegevens te verzenden over bestaande cellulaire netwerken met een lange termijn evolutie (LTE). Hierdoor kan een IIoT-eindpunt bijna overal ter wereld worden geplaatst waar LTE-connectiviteit beschikbaar is, zolang er maar een energiebron kan worden toegepast en onderhouden, met als bijkomend voordeel dat de kosten en inspanningen voor het onderhoud van het cellulaire netwerk voor rekening komen van de cellulaire dragers. Omdat deze systemen op afgelegen, onbewaakte, moeilijk bereikbare locaties kunnen worden geplaatst, moet het externe cellulaire IIoT-eindpunt betrouwbaar zijn en bestand tegen hacken of fysieke manipulatie.

De eerste stap naar een betrouwbaar ingebed systeem voor IIoT is om het systeem eenvoudig te houden en tegelijkertijd het vermogen te minimaliseren. Door het systeem eenvoudig te houden, wordt het aantal storingspunten gereduceerd. Het verlagen van het stroomverbruik verbetert de betrouwbaarheid door het verminderen van de warmte, waardoor de levensduur van de meeste halfgeleiderapparaten wordt verlengd en de levensduur van de accu's van batterijgevoede IIoT-eindpunten wordt verbeterd.

Om aan deze eisen te voldoen heeft Nordic Semiconductor de nRF9160 LTE-cellulaire IoT-microcontroller geïntroduceerd. De nRF9160 vereenvoudigt de ontwikkeling van cellulaire IIoT-eindpunten door de integratie van een compleet LTE-modem op de chip, dat voldoet aan de nieuwste normen voor cellulaire IoT en machine-to-machine-gegevens (M2M) (Afbeelding 1).

<Afbeelding 1: De Nordic Semiconductor nRF9160 LTE cellulair microcontroller is gebaseerd op de Arm® Cortex®-M33-kern. Het heeft alle randapparatuur die nodig is om een cellulair IoT-eindpunt te bouwen, inclusief een LTE-modem en een GPS-module. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

De Nordic Semiconductor nRF9160 is gebaseerd op een 64 megahertz (MHz) Arm Cortex-M33 processorkern, die specifiek gericht is op low power IoT-toepassingen. De Cortex-M33 ondersteunt single-cycle multiply en accumulate (MAC)-operaties en heeft single-precision floating point unit (FPU)-instructies, een hardware-scheiding en single-instruction multiple data (SIMD)-operaties. Dit is nuttig voor het snel verwerken van sensorgegevens zoals bij sensorfusieberekeningen. De Cortex-M33 is zeer deterministisch, zelfs bij het betreden en verlaten van lage vermogensstanden, met ondersteuning voor real-time werking.

De nRF9160-microcontroller heeft 1 megabyte (Mbyte) on-chip flash voor toepassingsfirmware en 256 kilobyte (Kbyte) RAM met weinig lekkage. Het heeft een Arm TrustZone-subsysteem voor cryptografische operaties, inclusief AES-encryptie, een echte willekeurige nummergenerator (TRNG), en veilig wachtwoordbeheer. Dit is nuttig voor het controleren van gecodeerde datacommunicatie en voor het opsporen van firmwarestoringen. Standaard seriële interfaces op de chip omvatten SPI-, I²C- en UART-poorten voor de koppeling met externe sensoren en actuatoren. Een achtkanaals, native 12-bits (14-bits met oversampling) analoog naar digitaal converter (ADC) is nuttig voor het uitlezen van analoge sensoren.

De nRF9160 heeft ook een on-chip GPS-ontvanger die is geoptimaliseerd voor low-power IoT-eindpunten. Dit is vooral nuttig voor mobiele eindpunten zoals vrachtwagens en treinen. Het is ook nuttig voor systemen die onbedoeld van positie kunnen veranderen als gevolg van seismische activiteit, of voor het detecteren van opzettelijke beweging als het eindpunt is gemonteerd op een beweegbaar apparaat zoals een robot. De GPS-ontvanger deelt de on-chip RF-zendontvanger met de LTE-modem. Als zowel het LTE-modem als de GPS-ontvanger actief zijn, wordt de gedeelde RF-zendontvanger met de GPS-module en het LTE-modem in de tijd gemultiplexed, waarbij het LTE-modem voorrang krijgt.

De LTE-modem op de nRF9160 bestaat uit een host-controleprocessor met speciaal flash- en RAM-geheugen, een basebandprocessor, een RF-zendontvanger met externe 50 ohm (Ω)-antennepen en een SIM-kaartinterface. Voor een grotere betrouwbaarheid van de communicatie heeft de LTE-modem een eigen diagnose en foutdetectie. De LTE-modem ondersteunt laag vermogen M2M- en IoT-datacommunicatieprotocollen, waaronder Cat-M1, Cat-NB1 en Cat-NB2.

Om gegevens uit te wisselen via een LTE-netwerk heeft de LTE-modem een standaard SIM-kaart nodig met daarin het draadloze netwerk, het telefoonnummer en de abonnee-informatie. De nRF9160 LTE-hostprocessor heeft een externe universele UICC-interface (Integrated Circuit Card), ook wel SIM-kaartinterface genoemd, voor aansluiting op een geactiveerde SIM-kaart die compatibel is met LTE-M- of Narrowband IoT-datatransmissiestandaarden (NB-IoT).

Voor elk nRF9160 LTE-eindpunt is de aanschaf van een SIM-kaart met een geschikt data-abonnement van een mobiele drager vereist. Een SIM-kaart en een mobiel data-abonnement voor netwerkapparaten van het IoT kunnen gemakkelijk worden aangeschaft bij DigiKey. Plannen zijn beschikbaar met datacapaciteiten van 300 Kbyte tot 5 gigabyte (Gbyte) per maand.

De nRF9160 kan werken met 3,0 tot 5,5 volt, waardoor hij geschikt is voor gebruik met batterijgevoede IIoT-eindpunten met een 3,7 volt lithiumbatterij. De werking met 3,7 volt wordt aanbevolen, aangezien de meeste apparaatspecificaties op een 3,7 volt voedingsspanning staan. De meeste voedingsdomeinen voor de randapparatuur en processormodules van de nRF9160 zijn configureerbaar en de stroom kan onder firmwarecontrole worden in- en uitgeschakeld. Dit stelt de ontwikkelaars in staat om de huidige trekking af te stemmen op specifieke applicatie-eisen.

De nRF9160 heeft een energiebesparende modus (PSM) die de kern in ruststand zet (kern-registertoestanden behouden), de LTE-modem uitschakelt en de meeste randapparatuur uitschakelt. Voor een IIoT-eindpunt dat de tijd moet bijhouden, met de RTC in PSM, trekt de nRF9160 slechts 2,35 microampère (µA), een indrukwekkend lage stroomopname voor een batterijgevoed apparaat.

De GPS-module trekt een aanzienlijke 47 milliampère (mA) bij het continu volgen. Het is echter praktischer om de GPS in PSM te gebruiken, omdat er slechts 12 mA extra wordt getekend. Dit zou geschikt zijn voor treinen of vrachtwagens die een continue locatiebewaking in real time nodig hebben. Een nog zuinigere modus is het configureren van de GPS voor een single-shot fix om de twee minuten, waarvoor slechts 1,3 mA nodig is. Dit is geschikt voor vaste knooppunten die slechts af en toe een beweging hoeven te detecteren.

Bij communicatie via elk LTE-M-protocol kan de nRF9160 gegevens zo snel als 375 kilobits per seconde (kbps) verzenden. Het NB-IoT-protocol met een lagere datasnelheid is zo snel als 60 kbps. Deze lage datasnelheden besparen energie terwijl de communicatie tussen het eindpunt en de hub betrouwbaar blijft. De LTE-modem ondersteunt ook de beveiliging van de transportlaag (TLS), waardoor veilige, gecodeerde communicatie mogelijk is om man-in-the-middle-aanvallen of ongeoorloofde onderschepping van verzonden gegevens te helpen voorkomen.

De nRF9160 werkt in temperaturen van -40 tot +85 °C, waardoor hij geschikt is voor extreem koude en de meeste zeer warme omgevingen.

De LTE-radio levert tot 23 decibel referentie naar 1 milliwatt (mW) (dBm) uitgangsvermogen aan de antenne. Het is compatibel met IPv4 en de nieuwste IPv6, waardoor het gemakkelijk kan worden uitgebreid naar nieuwe IP-adressen zonder de beperkingen van IPv4. De LTE-modem ondersteunt ook sms-berichten. Hierdoor kan het IIoT-eindpunt tekstgegevens verzenden en ontvangen die vergelijkbaar zijn met die van een mobiele telefoon, behalve dat in plaats van "hallo" te zeggen, de berichtgeving kan worden gebruikt om sensorgegevens te ontvangen en operationele commando's te verzenden.

LTE-eindpuntontwikkeling

Ter ondersteuning van de ontwikkeling van de nRF9160 levert Nordic Semiconductor de nRF6943 Nordic Thingy:91 cellulaire ontwikkelingsbord (Afbeelding 2). Het bord wordt handig verpakt als een set in een fel oranje doos die bijna als zodanig kan worden ingezet voor snelle implementatie.

Afbeelding 2: De Nordic Semiconductor nRF6943 Thingy:91 is een volledig uitgeruste cellulaire ontwikkelingskit met een overvloed aan sensoren en pinnen om aan te sluiten op externe apparaten. Het heeft een SIM-kaart aansluiting voor een SIM-kaart van een abonnee. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

De nRF6943-ontwikkelingskit wordt geleverd met een oplaadbare lithium-polymeer-batterij (mAh) van 1400 milliampère-uur die wordt opgeladen via de beschikbare USB-poort. De USB-poort wordt ook gebruikt om de nRF6943 aan te sluiten op een PC voor het ontwikkelen van firmware, programmeren en debuggen.

De nRF6943 Thingy:91-ontwikkelingskit wordt geleverd met een aantal sensoren aan boord, waaronder een accelerometer met laag vermogen, een versnellingsmeter met hoog vermogen, een licht- en kleurensensor en een stroommeetpoort. Een omgevingssensor detecteert temperatuur, vochtigheid, luchtkwaliteit en luchtdruk. Er zijn afzonderlijke poortpennen beschikbaar voor aansluiting op extra externe sensoren. Daarnaast stuurt de nRF9160 vier vermogen-MOSFET's aan die kunnen worden gebruikt om kleine DC-motoren of hoogstroom-LED's aan te sturen. Een magnetische zoemer en drie RGB-LED's zorgen voor audio- en visuele feedback tijdens de ontwikkeling. Er zijn ook twee drukknoppen die programmeerbaar zijn met behulp van toepassingsfirmware.

Aansluiting op de hub van het hoofdkwartier

Een IIoT-nRF9160-endpoint kan overal ter wereld worden geplaatst waar LTE-connectiviteit beschikbaar is. Het IIoT cellulaire eindpunt kan gegevens verzenden via het cellulaire netwerk van een draadloze drager met de hub van het hoofdkantoor naar een cellulaire router zoals de Phoenix Contact 1010464 4G LTE-router (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De Phoenix Contact 1010464 cellulaire router is een industriële 4G LTE-router met een geïntegreerde firewall en ondersteuning voor een virtueel privé-netwerk (VPN). (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Deze Phoenix Contact 1010464 4G LTE-router is ontworpen voor zware industriële omgevingen en wordt aangesloten op het AT&T U.S.A. cellulaire netwerk. Een SIM-slot zit achterin voor een SIM-kaart van een abonnee. De router is op DIN-rail gemonteerd voor een comfortabele integratie in een bestaand DIN-rail systeem met een minimum aan hardwareconfiguratie. De locatie van de router moet het mogelijk maken om een duidelijk cellulair signaal te ontvangen. Zowel de IIoT-endpoint firmware als deze mobiele router moeten worden geconfigureerd met de telefoonnummers van elke SIM zodat ze veilig en efficiënt kunnen communiceren. De LTE-router heeft een firewall voor extra veiligheid en kan eenvoudig ongeautoriseerde LTE-toegang afleiden van niet-geautoriseerde telefoonnummers en verdachte pakketten die afkomstig zijn van geautoriseerde nummers. VPN-ondersteuning maakt een veiligere datacommunicatie mogelijk. De LTE-celrouter heeft een 4-poorts schakelaar aan de voorzijde en communiceert met het lokale netwerk via Ethernet.

Deze combinatie van een low-power IIoT-endpoint en een LTE cellulaire router maakt eenvoudige communicatie mogelijk tussen de hub van het hoofdkantoor en het industriële endpoint, waarbij de snelheid van de communicatie alleen beperkt wordt door de beschikbare bandbreedte van het cellulaire netwerk.

Conclusie

Zoals blijkt, kunnen IIoT-netwerken gemakkelijk worden uitgebreid met eindpunten waar ook ter wereld. Het gebruik van een low-power microcontroller met een geïntegreerd LTE-celmodem bespaart tijd en ontwerpkosten en kan, eenmaal goed geconfigureerd, 24 uur per dag gegevens verzenden naar een mobiele router in de hub van het hoofdkantoor.