Effizienzsteigerung in der industriellen Automatisierung durch robuste und sichere Bluetooth-Sensornetzwerke

Sensornetzwerke im Internet der Dinge (IoT) haben sich als wegweisend für die industrielle Automatisierung, erneuerbare Energien und intelligente Beleuchtungssysteme erwiesen, da sie Echtzeitdaten nutzen, um die Effizienz zu steigern und Ausfallzeiten durch vorausschauende Wartung zu reduzieren. Da Systeme jedoch mit einer zunehmenden Anzahl von drahtlosen Sensorknoten ausgestattet werden, stehen Entwickler vor der Herausforderung, diese industriellen IoT-Netzwerke (IIoT) in rauen Umgebungen zuverlässig zu skalieren und gleichzeitig die Implementierungs- und Betriebskosten zu minimieren, die Überfüllung des Netzwerks zu bewältigen und die Sicherheit zu gewährleisten.

Dieser Artikel bietet einen Überblick über die Probleme, mit denen Entwickler bei der Skalierung von IIoT-Netzwerken konfrontiert werden. Anschließend werden Module für Bluetooth Low Energy (BLE) und ein Entwicklungskit von Digi vorgestellt und es wird gezeigt, wie sie eingesetzt werden können, um diese Probleme schnell und effizient zu lösen.

Die Herausforderungen bei der Skalierung der drahtlosen IIoT-Infrastruktur

Das IIoT deckt ein breites Spektrum von Anwendungen ab, bei denen die Datenerfassung für die Verbesserung der Effizienz und Vorhersagbarkeit unerlässlich ist. Bei der intelligenten Beleuchtung beispielsweise erfassen drahtlose Sensoren Umgebungslicht und Belegungsdaten und passen die Nutzung in Echtzeit an, um Energie und die damit verbundenen Kosten zu sparen.

Auch bei Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien werden IoT-Sensornetzwerke über große Entfernungen zur Überwachung verschiedener Energiequellen wie Solar- und Windenergie eingesetzt. Sie überwachen den Systemstatus und die Performance, sagen Probleme voraus und passen die Netzversorgung dynamisch an.

Wie in anderen Bereichen, in denen die Industrieautomatisierung zum Einsatz kommt, sind die von beweglichen Teilen erfassten Daten der Schlüssel zur Umsetzung einer vorausschauenden Wartung. Die Installation von Hunderten von drahtlosen Sensoren in einem Industriesystem liefert detaillierte Daten zur Optimierung von Prozessen, zur Reduzierung des Wartungsaufwands und zur Senkung der Betriebskosten. Mit zunehmender Größe der Sensornetzwerke treten jedoch Probleme auf, die sich negativ auf die Performance auswirken können, wie z. B:

• Interferenzen: Industrielle Umgebungen sind oft mit einem hohen Maß an elektromagnetischen Störungen (EMI) belastet, die von Motoren, Schaltnetzteilen und Lichtbogenschweißgeräten verursacht werden. Diese EMI kann zu Unterbrechungen und reduzierten Datenraten führen, die eine effiziente Datenübertragung behindern.
• Überlastung des Netzwerks: Der Betrieb mehrerer drahtloser Geräte in unmittelbarer Nähe kann zu einer Überlastung der Netzwerke führen, was wiederum höhere Latenzzeiten und Verbindungsabbrüche zur Folge hat, die die Echtzeitüberwachung behindern und den Stromverbrauch erhöhen.
• Sicherheit: Hackerangriffe sind ein großes Problem für kritische Infrastrukturen wie Energie oder Logistik, daher müssen Sensornetzwerke robuste Sicherheit bieten. Mit der Anzahl der Endgeräte steigt jedoch auch die Anzahl der Sicherheitslücken.

Eine weitere Herausforderung ist die Integration von drahtlosen Sensoren in industrielle Standardprotokolle. Diese Integration kann eine Neuformatierung und Komprimierung der Daten beinhalten, um den Netzwerkverkehr zu reduzieren. Diese Prozesse erfordern jedoch eine geräteinterne Verarbeitung, die mit zunehmender Anzahl von Sensoren und Protokollen schnell Kosten und Stromverbrauch in die Höhe treiben kann. Je mehr Sensoren im Einsatz sind, desto komplexer wird auch die Wartung, da sie unvorhersehbar gewartet werden müssen, sei es aufgrund von Fehlern oder einfach nur wegen eines Batteriewechsels.

Bluetooth-Vorteile für das groß angelegte IIoT

Unter den vielen drahtlosen IIoT-Protokollen bietet Bluetooth eine leistungsstarke Lösung, die eine Reihe von Problemen beim Ausbau von Sensornetzwerken löst. Zum Beispiel bietet es eine hohe Immunität gegen Interferenzen durch adaptives Frequenzspringen (AFH). AFH zerlegt die Daten in kleine Pakete, die über mehrere Frequenzen übertragen und auf der Empfangsseite wieder zusammengesetzt werden. Verloren gegangene Datenpakete werden erneut gesendet, wenn sie als vermisst gemeldet werden, was eine zuverlässige Kommunikation gewährleistet und verhindert, dass lange Nachrichten aufgrund von EMI verloren gehen.

Um eine Überlastung des Netzes zu vermeiden, unterstützt Bluetooth die Steuerung der Sendeleistung relativ zum Empfänger, sobald eine Verbindung hergestellt ist. Dieser Ansatz in Verbindung mit AFH trägt dazu bei, Strom zu sparen und gleichzeitig EMI zu minimieren, so dass Hunderte von drahtlosen Geräten im selben Raum betrieben werden können. Darüber hinaus mindert Bluetooth Sicherheitsschwachstellen durch den Einsatz starker Verschlüsselung und robuster Authentifizierungsprotokolle.

In IIoT-Implementierungen kommunizieren groß angelegte Bluetooth-Sensornetzwerke hauptsächlich über Gateways, die für die Kopplung mit mehreren Geräten ausgelegt sind. Durch den Aufbau von Sensorknoten auf der Basis von Bluetooth können Entwickler eine nahtlose Interoperabilität mit Smartphones und Tablets herstellen und so die Einrichtung und Diagnose für eine effizientere Wartung vereinfachen.

Damit ein drahtloses Netzwerk jedoch für das IIoT geeignet ist, muss es auch rauen Einsatzbedingungen zuverlässig standhalten und stromsparend, kostengünstig und einfach zu warten sein.

Nutzung von industrietauglichen BLE-Modulen für IIoT-Netzwerke

Die BLE-5.4-Module XBee 3 BLU und das Entwicklungskit von Digi bieten Entwicklern einen schnellen und unkomplizierten Weg zum Aufbau von drahtlosen IIoT-Netzwerken. Die Module erfüllen die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Stromverbrauch durch eine Kombination aus industrietauglicher Temperaturtoleranz von -40°C bis +85°C und der Verwendung von Leerlauf- und Sleep-Betriebsmodi. Mit einer Stromaufnahme von 7,5 Milliampere (mA) bzw. 8 Mikroampere (µA) können die XBee-3-BLU-Komponenten die langfristige Installation von Fernsensoren an schwer zugänglichen Orten unterstützen und wertvolle Erkenntnisse liefern, ohne dass ein regelmäßiger Zugang zum Batteriewechsel erforderlich ist.

Weitere Merkmale sind:

• 2 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) maximale Datenrate für detaillierte Einblicke in komplexe Maschinen
• +8 Dezibel, bezogen auf ein Milliwatt (dBm) maximale Sendeleistung für High-Fidelity-Kommunikation bis zu 15 Meter (m) in geschlossenen Räumen oder 300 m im Freien mit direkter Sichtverbindung
• 13 digitale I/Os und vier 10-Bit-Analog/Digital-Wandlereingänge (ADC) für die flexible Integration mit verschiedenen Geräten und Sensorschnittstellen
• 1,71 bis 3,8 Volt Spannungsversorgung für flexible Stromversorgungsoptionen
• „Digi TrustFence Security“ für Geräte- und Netzwerkschutz, einschließlich sicherem Booten, geschützten Hardware-Ports und Geräteauthentifizierung
• Erweiterte MicroPython-Programmierbarkeit für die schnelle Entwicklung von Systemen zur Datenverarbeitung und Entscheidungsfindung auf dem Gerät
• Vollständige behördliche Zulassungen für Nordamerika (FCC, IC) und Europa (ETSI)

Prüfung der Optionen des XBee-3-BLU-Moduls

Digi bietet mehrere XBee-3-BLU-Modelle an, um verschiedenen Designanforderungen und Sensorformfaktoren gerecht zu werden. Das XB3-24B5UM-J (Abbildung 1) ist eine oberflächenmontierbare Lösung mit einem U.FL-Anschluss für den Anschluss externer Antennen. Ähnliche Modelle sind auch mit Chip- und HF-Pad-Antennenoptionen erhältlich.

Abbildung 1: Das XB3-24B5UM-J bietet eine flache Lösung für leistungsstarke BLE-Kommunikation in industriellen Umgebungen. (Bildquelle: Digi)

Mit den Maßen 13 mm × 19 mm × 2 Millimeter (mm) eignet sich dieser Formfaktor gut für flache Sensoren, die für hochintegrierte Industrieumgebungen, wie z. B. intelligente Beleuchtungsarmaturen, entwickelt wurden. Das direkte Löten auf Leiterplatten kann auch die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit von Sensoren in rauen Umgebungen, wie z. B. in Fertigungsstraßen, erhöhen.

Alternativ dazu ist das XB3-24B5PT-J (Abbildung 2) eine durchkontaktierbare Variante des XBee-3-BLU-Moduls. Dieser Formfaktor verfügt über eine Leiterplatten-Antenne mit einer U.FL-Option.

Abbildung 2: Das XB3-24B5PT-J ist ein durchkontaktierbares Modul, das leicht gegen andere XBee-Module ausgetauscht werden kann, die verschiedene drahtlose Protokolle unterstützen, um eine größere Designflexibilität zu erreichen. (Bildquelle: Digi)

Trotz des größeren Footprints von 24,38 mm × 27,61 mm bietet dieser durchkontaktierbare Formfaktor einen Vorteil für Entwickler, die IoT-Sensoren für verschiedene andere Anwendungen entwerfen. Durch die Installation von Steckleisten auf einer gemeinsamen Trägerplatine kann dasselbe Sensordesign verschiedene drahtlose Protokolle bedienen, indem dieses Modul gegen ein anderes aus dem breiteren XBee-Ökosystem ausgetauscht wird. Dies reduziert den Designaufwand für Entwickler und erhöht die Flexibilität der IIoT-Infrastruktur.

Optimierung der BLE-basierten IIoT-Systementwicklung mit dem XBee-Entwicklungskit

Um die Erstellung eines Projekts zu beschleunigen, kann das XBee-3-BLU-Entwicklungskit XK3-B5M-WBT verwendet werden (Abbildung 3). Es verfügt über eine XBIB-Schnittstellenkarte und wichtige Peripheriekomponenten zum sofortigen Prototyping mit drahtlosen Sensoren, einschließlich:

• Steckleiste zur Stromüberwachung
• Temperatur- und Feuchtesensor
• Grove-Anschluss für Sensoren von Drittanbietern
• Programmierbare Benutzertasten
• Versorgung über USB oder Batterie

Abbildung 3: Das Entwicklungskit XK3-B5M-WBT bietet einen idealen Ausgangspunkt für die Entwicklung von IIoT-Sensornetzwerken auf Basis von BLE. (Bildquelle: Digi)

Das Kit bietet auch Zugang zum XBee Studio von Digi. Diese kostenlose, plattformübergreifende Anwendung ermöglicht eine schnellere Markteinführung durch eine breite Palette von Entwicklungstools, einschließlich eines vollständigen BLE-5.4-Software-Stacks, sowie zusätzlicher Dokumentation und Beispiele. Die einfache grafische Benutzeroberfläche (GUI) (Abbildung 4) ermöglicht eine einfache, schrittweise Konfiguration und Verwaltung von mehreren XBee-Geräten gleichzeitig.

Abbildung 4: XBee Studio ist eine umfassende Softwareumgebung zur Beschleunigung der Entwicklung und dem Testen von XBee-IIoT-Knoten. (Bildquelle: Digi)

Neben XBee Studio ermöglicht die XBee Mobile App von Digi die lokale Konfiguration und Over-the-Air-Firmware-Updates (OTA) für die praktische Fehlersuche im Feld. Das Mobile SDK von Digi unterstützt die App-Entwicklung für iOS- und Android-Systeme und ermöglicht es Entwicklern, die Interaktion von Endbenutzern mit XBee-basierten Sensornetzwerken zu optimieren, was zu einer einfacheren und effizienteren Geräteverwaltung führt.

Fazit

Bei der Entwicklung großer IIoT-Sensornetzwerke zur Datenerfassung können Entwickler auf viele Herausforderungen in Bezug auf Interferenzen, Sicherheit, Integration und Wartung stoßen. Die Module XBee 3 BLU von Digi bieten eine stromsparende, industrietaugliche BLE-Lösung mit integrierten Edge-Computing-Funktionen zur Optimierung des Datenmanagements. Mit flexiblen Integrationsoptionen und umfassenden Entwicklungsressourcen bilden die Module eine zuverlässige Plattform, auf der moderne Sensornetzwerksysteme schnell und effizient aufgebaut und skaliert werden können.