วิธีปรับใช้การเชื่อมต่อไร้สายที่ปลอดภัยและทนทานสำหรับพลังงานอัจฉริยะและยูทิลิตี้

การสื่อสารไร้สาย รวมถึงเครือข่ายท้องถิ่นและการเชื่อมต่อคลาวด์เป็นองค์ประกอบสำคัญในระบบพลังงานและสาธารณูปโภคอัจฉริยะต่างๆ รวมถึงมาตรวัดพลังงาน โครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญ ระบบพลังงานสีเขียว ยานพาหนะไฟฟ้า การปรับปรุงกริดให้ทันสมัย โครงข่ายไฟฟ้าอัจฉริยะ และเมืองอัจฉริยะ แอปพลิเคชันเหล่านี้มักเกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อที่ขอบ และต้องการเวลาแฝงต่ำ คาดการณ์ได้ และปลอดภัย การสื่อสารที่รองรับได้โดยใช้ IEEE 802.15.4, Zigbee, Bluetooth และโปรโตคอลอื่น ๆ ในบางกรณี พวกเขาสามารถได้รับประโยชน์จากโปรโตคอลไร้สายที่ใช้พลังงานต่ำและปริมาณงานสูง เช่น มาตรฐาน IEEE 802.11 g/n ที่ให้การเข้าถึงเครือข่ายที่มีอัตราข้อมูลสูงภายในระยะประมาณ 300 เมตรนอกอาคาร

นอกจากนี้ อุปกรณ์ไร้สายเหล่านี้ต้องเป็นไปตามมาตรฐานของ Federal Communications Commission (FCC) ในสหรัฐอเมริกา ข้อกำหนดของ European Telecommunications Standards Institute (ETSI) และ EN 300 328 และ EN 62368-1 ในยุโรป การพัฒนานวัตกรรม วิทยาศาสตร์ และเศรษฐกิจ (ISED) ในแคนาดา กระทรวงกิจการภายในและการสื่อสาร (Ministry of Internal Affairs and Communications - MIC) ในญี่ปุ่นและอื่น ๆ การออกแบบการเชื่อมต่อไร้สายและการได้รับการรับรองที่จำเป็นอาจใช้เวลานาน ส่งผลให้ต้นทุนเพิ่มขึ้นและยืดเวลาออกสู่ตลาด นักออกแบบสามารถหันไปใช้โมดูลการสื่อสารไร้สายและแพลตฟอร์มการพัฒนาที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมล่วงหน้าและได้รับการรับรอง ซึ่งสามารถรวมเข้ากับอุปกรณ์พลังงานอัจฉริยะและยูทิลิตี้ได้อย่างง่ายดาย

บทความนี้เริ่มต้นด้วยการตรวจสอบตัวเลือกการสื่อสารและสถาปัตยกรรมต่างๆ สำหรับเครือข่ายท้องถิ่นและการเชื่อมต่อระบบคลาวด์ รวมถึงตัวเลือกเครือข่ายแบบใช้สายและไร้สาย จากนั้นจะมีแพลตฟอร์มไร้สายหลายตัวจาก Digi, Silicon Labs, Laird Connectivity, Infineonและ STMicroelectronics สำหรับการปรับใช้การเชื่อมต่อไร้สายที่ปลอดภัยและแข็งแกร่งสำหรับพลังงานอัจฉริยะและสาธารณูปโภค รวมถึงสภาพแวดล้อมการพัฒนาเพื่อเร่งกระบวนการออกแบบ

โอกาสและความท้าทายที่ยิ่งใหญ่

ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่มักมาพร้อมกับโอกาสที่ยิ่งใหญ่ นั่นเป็นกรณีอย่างแน่นอนเมื่อใช้พลังงานอัจฉริยะและสาธารณูปโภคในโครงสร้างพื้นฐานของเมืองอัจฉริยะ ประการแรก จำเป็นต้องผสานรวมโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่และเก่าอย่างมีประสิทธิภาพ จากนั้น มีความจำเป็นต้องปรับใช้เครือข่ายที่ต่างกันทางเทคโนโลยีและกระจายตัวตามภูมิศาสตร์ที่มีประสิทธิภาพและแข็งแกร่ง ในที่สุด เครือข่ายเหล่านี้คาดว่าจะให้ความยืดหยุ่นในการจัดการกับการพัฒนาเทคโนโลยีในอนาคต เช่น การเกิดขึ้นของยานพาหนะอัจฉริยะและการเชื่อมต่อ

ตัวอย่างเช่น ระบบการจัดการจราจรอัตโนมัติขั้นสูงสามารถเพิ่มความปลอดภัย ปรับปรุงการใช้พลังงาน และลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของรถยนต์ รถโดยสาร และยานพาหนะอื่น ๆ ในกรณีนี้ ระบบการจัดการทราฟฟิกแบบรวมศูนย์จะเชื่อมต่อกับเครือข่ายผ่านไฟเบอร์แบนด์วิธสูงและการสื่อสารแบ็คฮอลแบบไร้สาย องค์ประกอบอื่นๆ ของระบบอาจรวมถึง (รูปที่ 1):

• เราเตอร์อีเธอร์เน็ตและเซลลูลาร์ที่รองรับอุปกรณ์ที่เปิดใช้งาน IP ในระดับท้องถิ่น ในบางกรณี มีการเพิ่มการจ่ายไฟผ่านอีเทอร์เน็ต (PoE) เพื่อขยายยูทิลิตี้เครือข่ายและควบคุมค่าใช้จ่าย
• อุปกรณ์รุ่นเก่าสามารถรวมเข้าด้วยกันผ่านการเชื่อมต่อเฉพาะและพอร์ตอนุกรม
• อุปกรณ์ Wi-Fi และ Bluetooth ในพื้นที่สามารถตรวจสอบความหนาแน่นของการจราจรและคนเดินถนนด้วยข้อมูลที่ไม่ระบุตัวตน ข้อมูลผลลัพธ์สามารถวิเคราะห์ภายในเครื่องและส่งไปยังระบบการจัดการจราจรกลางเพื่อการตัดสินใจและฟังก์ชั่นการควบคุมระดับที่สูงขึ้น
• การรวมกันของกล้องจราจร เซ็นเซอร์ เช่น เรดาร์หรือลิดาร์ และแหล่งข้อมูลอื่น ๆ ถูกใช้โดยทั้งตัวควบคุมการจราจรแบบโซลิดสเตตขั้นสูงในท้องถิ่น (ASTC) และย้ายไปยังศูนย์การจัดการแบบรวมศูนย์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการไหลของการจราจรแบบเรียลไทม์

รูปที่ 1: การจัดการจราจรอัตโนมัติในเมืองอัจฉริยะมีตั้งแต่การตรวจจับคนเดินเท้าและยานพาหนะด้วย Wi-Fi ไปจนถึงกล้องจราจรและตัวควบคุม ASTC และศูนย์ควบคุมและจัดการการจราจรแบบรวมศูนย์ (ที่มาของภาพ: Digi)

ประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยรวม ความปลอดภัยสาธารณะ และการลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของถนนในเมืองสามารถปรับปรุงได้โดยใช้:

• ตรวจจับและลดความแออัดโดยการปรับเปลี่ยนการไหลของการจราจรและเวลาสัญญาณให้ใกล้เคียงเรียลไทม์ด้วยการผสมผสานระหว่างการควบคุมแบบท้องถิ่นและแบบรวมศูนย์
• การปรับเวลาสัญญาณเพื่อรองรับการเดินรถของรถโดยสารประจำทางและขนส่งมวลชนรูปแบบอื่นอย่างมีประสิทธิภาพและตรงเวลา
• ผู้ปฏิบัติการฉุกเฉินเบื้องต้นสามารถจัดหาเส้นทางที่เหมาะสมตามเวลาจริงเพื่อเพิ่มความเร็วในการมาถึงและลดผลกระทบโดยรวมต่อความปลอดภัยสาธารณะ

เมืองอัจฉริยะแห่งอนาคต

เมืองอัจฉริยะในปัจจุบันยังคงเป็นงานที่อยู่ระหว่างดำเนินการเป็นส่วนใหญ่ มีโอกาสมากมายสำหรับการปรับปรุงและความก้าวหน้า เมืองอัจฉริยะในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่ประสิทธิภาพการใช้พลังงานแบบบูรณาการและคุณภาพชีวิตที่ดีขึ้น รถยนต์ไฟฟ้า (e-vehicles) และรถยนต์อัจฉริยะหรือรถยนต์ไร้คนขับจะกลายเป็นบรรทัดฐาน ระบบจะรวมเข้ากับที่อยู่อาศัยอัจฉริยะ โครงสร้างพื้นฐานการชาร์จอัจฉริยะ ระบบจัดส่งอัจฉริยะ และระบบขนส่งแบบ end-to-end รวมถึงรถไฟ รถไฟฟ้ารางเบาและรถประจำทาง และแท็กซี่โรโบไฟฟ้าสำหรับ

ผู้อยู่อาศัยจะใช้สมาร์ทโฟนสำหรับการใช้งานที่หลากหลายมากขึ้น รวมถึงการซื้อตั๋วรถบัสและรถไฟ เร่งกระบวนการ และลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากการขนส่ง แม้ว่าการขนส่งจะยังคงเป็นการใช้รถยนต์ไฟฟ้าเป็นหลัก แต่ก็ไม่ใช่เพียงประเภทเดียว

ยานพาหนะเพื่อการพาณิชย์ เช่น รถบรรทุก รถโดยสาร รถตู้บรรทุกสินค้าและขนส่ง และอุปกรณ์ก่อสร้างคิดเป็นสัดส่วนประมาณหนึ่งในสี่ของ CO₂ การปล่อยมลพิษในเมืองและประมาณร้อยละห้าของการปล่อยก๊าซเรือนกระจก (GHG) โดยรวม ตามข้อมูลของ Infineon โครงสร้างพื้นฐานการชาร์จแบบบูรณาการจะต้องได้รับการพัฒนาเพื่อรองรับแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ขึ้นในรถยนต์เพื่อการพาณิชย์เหล่านี้ นอกเหนือจากการชาร์จรถยนต์โดยสารและจักรยานไฟฟ้า โครงสร้างพื้นฐานการชาร์จจะต้องมีการเชื่อมต่อระหว่างกันและควบคุมจากส่วนกลางเพื่อเพิ่มความเร็วในการชาร์จสูงสุดสำหรับยานพาหนะประเภทต่างๆ และกรณีการใช้งาน

เพื่อรองรับผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมที่ลดลง และการปรับปรุงคุณภาพชีวิตและการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ เครือข่ายไร้สายตามเวลาจริงที่ซับซ้อนจะมีความจำเป็นในการตรวจสอบการทำงานของแหล่งพลังงานหมุนเวียนแบบกระจาย ไมโครกริด และที่เก็บพลังงาน เพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน จัดการน้ำ และการใช้น้ำเสีย และจัดการการขนส่งและระบบอื่นๆ ที่หลากหลาย เครือข่ายเรียลไทม์เหล่านี้ต้องแข็งแกร่งและมีเวลาแฝงน้อยที่สุด (รูปที่ 2) เพื่อรองรับโครงสร้างพื้นฐานเมืองอัจฉริยะ นักออกแบบต้องการเครื่องมือที่ช่วยให้สามารถพัฒนา ใช้งาน และอัปเดตเครือข่ายการสื่อสารและอุปกรณ์เชื่อมต่อที่ซับซ้อนได้อย่างรวดเร็ว

รูปที่ 2: บริการเมืองอัจฉริยะจะใช้เครือข่ายไร้สายแบบเรียลไทม์ที่แข็งแกร่งเพื่อเชื่อมต่อแอพพลิเคชั่นที่หลากหลาย (ที่มาของภาพ: Infineon)

รักษาความปลอดภัยเครือข่ายด้วยโมดูลไร้สาย

ในการปรับใช้เครือข่ายที่ปลอดภัยอย่างรวดเร็ว นักออกแบบสามารถหันไปใช้ XBee RR โมดูลไร้สาย จาก Digi โดยขึ้นอยู่กับ EFR32MG21B020F1024IM32-BR ระบบไร้สายบนชิป (SoC) จาก Silicon Labs ที่มีคอร์ ARM Cortex-M33 ความเร็ว 80 MHz และระบบย่อยความปลอดภัยในตัว โมดูล XBee ใช้ประโยชน์จากโปรโตคอลไร้สายและย่านความถี่ต่าง ๆ เช่น Zigbee, 802.15.4 และ DigiMesh รวมถึงบลูทูธพลังงานต่ำ (BLE) เพื่อรองรับสถาปัตยกรรมเครือข่ายที่หลากหลาย DigiMesh เป็นโปรโตคอลเครือข่ายเมชแบบเพียร์ทูเพียร์ที่สามารถลดความซับซ้อนของการใช้ Zigbee สำหรับการกำหนดค่าแบบจุดต่อหลายจุด โมดูลเหล่านี้รองรับ BLE และการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ BLE อื่น

สามารถใช้การเชื่อมต่อสมาร์ทโฟนเพื่อกำหนดค่าและตั้งโปรแกรมโมดูลโดยใช้แอปมือถือ XBee นอกจากนี้ นักพัฒนาสามารถใช้แพลตฟอร์มการกำหนดค่า XCTU ที่เข้ากันได้กับ Windows, MacOS และ Linux XCTU ใช้มุมมองเครือข่ายแบบกราฟิกเพื่อทำให้การกำหนดค่าเครือข่ายไร้สายง่ายขึ้น และเครื่องมือพัฒนาตัวสร้างเฟรม API สำหรับการสร้างเฟรม XBee API อย่างรวดเร็ว คุณสมบัติและตัวเลือกอื่นๆ ของโมดูลประกอบด้วย:

• ตัวเลือกบรรจุภัณฑ์ประกอบด้วยอุปกรณ์ติดตั้งขนาดเล็กขนาด 13 มม. (มม.) x 19 มม. เช่น XBRR-24Z8UM, โมดูลยึดพื้นผิวเช่น XBRR-24Z8PS-J และการกำหนดค่า through hole เช่น XBRR-24Z8ST-J (รูปที่ 3)
• รุ่น PRO ได้รับการรับรอง FCC สำหรับใช้ในอเมริกาเหนือ และรุ่นมาตรฐานตรงตามมาตรฐาน ETSI สำหรับใช้ในยุโรป
• การกำหนดค่าโมดูลพลังงานต่ำและพลังงานสูง
• ระยะในร่ม/ในเมืองสูงถึง 90 เมตร (ม.) (300 ฟุต) ขึ้นอยู่กับเงื่อนไข
• ขึ้นอยู่กับเงื่อนไข ระยะสายตากลางแจ้งสูงสุด 3200 ม. (2 ไมล์)
• แอปความปลอดภัย IoT แบบผสานรวมช่วยลดความยุ่งยากในการผสานรวมความปลอดภัยของอุปกรณ์ ข้อมูลระบุตัวตนของอุปกรณ์ และความเป็นส่วนตัวของข้อมูล

รูปที่ 3: ตัวเลือกแพ็คเกจสำหรับโมดูลไร้สาย Digi XBee ประกอบด้วยตัวยึดไมโคร (ซ้าย) surface mount (กลาง) และ through hole (ขวา) (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

เกตเวย์อัจฉริยะ

โมดูล LWB+ ของสเตอร์ลิงจาก Laird Connectivity เช่น 453-00084R เป็นโมดูลคอมโบ 2.4 GHz WLAN และ Bluetooth ประสิทธิภาพสูงที่ออกแบบมาสำหรับอุปกรณ์ IoT ไร้สายและสมาร์ทเกตเวย์ พวกเขาขึ้นอยู่กับ AIROC CYW43439 IC วิทยุชิปตัวเดียวจาก Infineon และมีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ -40°C ถึง +85°C ทำให้เหมาะสำหรับยูทิลิตี้อัจฉริยะและเมืองอัจฉริยะและพลังงานที่หลากหลาย โมดูล LWB+ ของสเตอร์ลิงมีใบรับรองระดับโลก ได้แก่ FCC, ISED, EU, MIC และ AS/NZS

โมดูล LWB+ ของสเตอร์ลิงประกอบด้วยการควบคุมการเข้าถึงขนาดกลาง (MAC) เบสแบนด์ และวิทยุ รวมถึง UART ความเร็วสูงอิสระสำหรับอินเทอร์เฟซ Bluetooth Laird Connectivity และ Infineon รองรับไดรเวอร์ Android และ Linux ล่าสุด เสาอากาศแบบชิปในตัวทนทานต่อการปรับจูน และทำให้การออกแบบและการผลิตระบบง่ายขึ้น ซีรีส์ LWB+ ของสเตอร์ลิงเป็นระบบในแพ็คเกจ (SIP) และมีให้เลือกใช้งานพร้อมกับพินติดตาม เสาอากาศแบบชิปในตัว หรือตัวเชื่อมต่อ MHF4 รวมถึงการเข้ารหัส WPA/WPA2/WPA3 โมดูลเหล่านี้มีจำหน่ายในแพ็คเกจสี่รูปแบบเพื่อตอบสนองความต้องการของการออกแบบระบบและข้อกำหนดการใช้งานที่หลากหลาย (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: Basic Sterling LWB+ SIP (ซ้าย) โมดูลพร้อมขั้วต่อ MHF (ที่สองจากซ้าย) โมดูลพร้อมเสาอากาศในตัว (ที่สามจากซ้าย) และขั้วต่อขอบการ์ด (ขวา) (แหล่งรูปภาพ: Laird Connectivity)

Sterling-LWB+ มีอินพุตและเอาต์พุตดิจิทัลที่ปลอดภัย ประสิทธิภาพสูงและปลอดภัย (SDIO) ซึ่งสนับสนุนการผสานรวมกับระบบที่ใช้ Linux หรือ Android ได้อย่างง่ายดาย เพื่อเพิ่มความเร็วในการพัฒนาอุปกรณ์ IoT ไร้สายและสมาร์ทเกตเวย์ นักออกแบบสามารถหันไปใช้ชุดพัฒนา 453-00084-K1 ซึ่งประกอบด้วย 453-00084R โมดูลที่มีขั้วต่อ MHF ในตัว (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: บอร์ดผู้พัฒนานี้ประกอบด้วยโมดูล LWB+ สเตอร์ลิง 453-00084R จาก Laird พร้อมขั้วต่อ MHF ในตัว (แหล่งรูปภาพ: Laird Connectivity)

โหนดเซ็นเซอร์ไร้สายระดับอุตสาหกรรม

โหนดเซ็นเซอร์ไร้สายเป็นส่วนสำคัญของพลังงานอัจฉริยะและระบบสาธารณูปโภคในเมืองอัจฉริยะ เพื่อช่วยให้นักออกแบบจัดการกับความซับซ้อนในการออกแบบ สร้างต้นแบบ และทดสอบโหนดเซ็นเซอร์ไร้สายขั้นสูงได้อย่างรวดเร็ว STMicroelectronics ขอนำเสนอ STEVAL-STWINKT1B ชุดพัฒนา SensorTile และการออกแบบอ้างอิง ซึ่งรวมถึงบอร์ดขยาย X-NUCLEO-SAFEA1A ที่รองรับการตรวจสอบอุปกรณ์ IoT และการจัดการข้อมูลที่ปลอดภัยBLUENRG-M2SA โมดูลรับส่งสัญญาณบลูทูธและไมโครโฟน MEMS IMP23ABSUTR ไมโครโฟน MEMS ได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้กับไมโครคอนโทรลเลอร์ออนบอร์ดพลังงานต่ำพิเศษสำหรับการวิเคราะห์การสั่นสะเทือนของข้อมูลการตรวจจับการเคลื่อนไหว 9 องศาอิสระ (DoF) ในช่วงความถี่การสั่นสะเทือนที่หลากหลายตั้งแต่ 35 Hz ถึงอัลตราโซนิก นอกจากนี้ยังมีมาตรวัดความเร่ง ไจโรสโคป เซ็นเซอร์วัดความชื้น แมกนีโตมิเตอร์ และเซ็นเซอร์วัดความดันและอุณหภูมิ

ชุดพัฒนา SensorTile รวมถึงการเข้าถึงชุดซอฟต์แวร์ ไลบรารีเฟิร์มแวร์ และการใช้งานแดชบอร์ดระบบคลาวด์เพื่อเพิ่มความเร็วในการพัฒนาระบบเซ็นเซอร์ IoT แบบ end-to-end ที่ครอบคลุม โมดูลในตัวให้การเชื่อมต่อ BLE ตัวรับส่งสัญญาณ RS484 รองรับการเชื่อมต่อแบบมีสายและบอร์ดขยายปลั๊กอิน STEVAL-STWINWFV1 มีการเชื่อมต่อ Wi-Fi กระดานหลักประกอบด้วยตัวเชื่อมต่อ STMod+ สำหรับการเพิ่มบอร์ดลูกฟอร์มแฟกเตอร์ขนาดเล็กที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล STM32 ในที่สุด ชุดพัฒนาประกอบด้วยแบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์ 480 mAhSTLINK-V3MINI ซึ่งเป็นโพรบการดีบักและการตั้งโปรแกรมแบบสแตนด์อโลน และกล่องพลาสติก (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: ชุดพัฒนา SensorTile จาก STEVAL-STWINKT1B และการออกแบบอ้างอิงประกอบด้วยชุดเซ็นเซอร์สภาพแวดล้อมที่ครอบคลุมและการสนับสนุนตัวเลือกการเชื่อมต่อต่าง ๆ (แหล่งที่มารูปภาพ: STMicroelectronics)

สรุป

จำเป็นต้องมีโปรโตคอลการเชื่อมต่อไร้สายที่หลากหลายเพื่อรองรับความต้องการของพลังงานอัจฉริยะและระบบสาธารณูปโภคในเมืองอัจฉริยะ ระบบเหล่านี้สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ปรับปรุงความปลอดภัยสาธารณะ สนับสนุนการใช้น้ำและพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น และลด CO₂ และการปล่อยก๊าซเรือนกระจก ดังที่แสดงไว้ มีโมดูลไร้สายและสภาพแวดล้อมการพัฒนาที่หลากหลายสำหรับโปรโตคอลไร้สายพลังงานต่ำ Wi-Fi, Zigbee และ Bluetooth ที่สามารถให้การเชื่อมต่อที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพซึ่งจำเป็นสำหรับพลังงานอัจฉริยะและสาธารณูปโภคในโครงสร้างพื้นฐานเมืองอัจฉริยะ