モノのインターネット (IoT) センサー ネットワークは、リアルタイム データを活用することで効率を向上させ、予知保全によってダウンタイムを削減できることが証明されており、それによって産業オートメーション、再生可能エネルギー、インテリジェント照明システムのゲームルールが変わります。しかし、システムに搭載される無線センサー ノードの数が増えるにつれ、設計者は、実装コストと運用コストを最小限に抑え、ネットワークの輻輳問題に対処し、セキュリティを確保しながら、過酷な環境でこれらの産業用モノのインターネット (IIoT) ネットワークを確実に拡張する方法という課題に直面することになります。
この記事では、IIoT ネットワークを拡張する際に設計者が直面するさまざまな問題について概説します。次に、Digi の低電力 Bluetooth (BLE) モジュールと開発キットを紹介し、これらの製品を使用して上記の問題を迅速かつ効果的に解決する方法を説明します。
ワイヤレス IoT インフラストラクチャの拡大で直面する課題
IIoT には幅広い応用分野が含まれますが、その中でもデータ収集は効率と予測可能性を向上させるために重要です。インテリジェント照明を例にとると、ワイヤレスセンサーは周囲の光と占有データを収集し、リアルタイムで使用量を調整し、エネルギー消費と関連コストを節約します。
同様に、再生可能エネルギー アプリケーションでは、リモート IoT センサー ネットワークを利用して、太陽光や風力エネルギーなどのさまざまなエネルギー源を監視します。これらのネットワーク監視システムは、ステータスとパフォーマンスを監視し、障害を予測し、グリッド電力供給を動的に調整します。
産業オートメーション技術を使用する他の分野と同様に、可動部品からデータを収集することは、予知保全を実装するための鍵となります。産業システム全体に何百ものワイヤレス センサーを設置すると、きめの細かいデータ情報が提供されるため、プロセスが最適化され、メンテナンス作業が軽減され、運用コストが削減されます。しかし、センサーネットワークの規模が拡大すると、次のようなパフォーマンスの問題が発生する可能性があります。
干渉: 産業環境は通常、モーター、スイッチモード電源、アーク溶接装置によって生成される高レベルの電磁干渉 (EMI) の影響を受けます。この EMI はデータ伝送速度の断続的な低下を引き起こす可能性があり、効果的なデータ伝送に重大な影響を与えます。
ネットワークの過密: 複数のワイヤレス デバイスを近距離で動作させるとネットワークが飽和状態になり、遅延が増大し、接続が中断され、リアルタイムの検出が妨げられ、消費電力が増加する可能性があります。
セキュリティ: ハッカー攻撃はエネルギーや物流などの重要なインフラに対する大きな脅威であるため、センサー ネットワークには強力なセキュリティが必要です。ただし、エンドポイントの数が増加すると、脆弱性の数も増加します。
もう 1 つの課題は、ワイヤレス センサーを標準の産業プロトコルと統合することです。この統合には、ネットワーク トラフィックを削減するためにデータの再フォーマットと圧縮が含まれる場合があります。しかし、これらの処理はデバイス上で実行する必要があり、センサーやプロトコルの数が増えると、コストや消費電力も急激に増加します。さらに、現場のセンサーの数は常に増加しており、故障や単なるバッテリー交換など、センサーの非予測メンテナンスが必要となるため、メンテナンス作業はますます複雑になっています。
Bluetooth テクノロジーは大規模な IIoT で威力を発揮します
数多くの IIoT ワイヤレス プロトコルの中でも、Bluetooth は、センサー ネットワークの拡大に伴うさまざまな問題に対処できる強力なソリューションです。たとえば、適応周波数ホッピング (AFH) を使用することにより、Bluetooth テクノロジーの耐干渉能力を向上させることができます。 AFH はデータを小さなパケットに分割し、複数の周波数を通じて送信し、受信側で再結合します。通信の信頼性を確保し、電磁干渉による長い情報の損失を防ぐために、失われたデータ パケットは損失レポートの送信後に再送信されます。
過度のネットワーク輻輳を回避するために、Bluetooth テクノロジは、接続確立後の受信機に対する送信電力の制御をサポートしています。この方法を AFH と組み合わせると、EMI を最小限に抑えながらエネルギーを節約でき、数百の無線デバイスを同じ空間で動作させることができます。さらに、Bluetooth テクノロジーは、強力な暗号化と柔軟な検証プロトコルを使用することでセキュリティの脆弱性も軽減します。
IIoT の展開では、大規模な Bluetooth センサー ネットワークは主に、複数のデバイスとのペアリング専用に設計されたゲートウェイを介して通信します。 Bluetooth を中心にセンサー ノードを構築することで、開発者はスマートフォンやタブレットとのシームレスな相互運用性を実現し、セットアップと診断作業を簡素化し、メンテナンス効率を向上させることができます。
ただし、ワイヤレス ネットワークが IIoT に適応するためには、Bluetooth センサー ネットワークも過酷な導入条件に確実に適応し、消費電力を削減し、費用対効果を向上させ、メンテナンスを簡素化する必要があります。
産業用グレードの BLE モジュールを使用した IIoT ネットワークの構築
Digi の XBee 3 BLU BLE 5.4 モジュールと開発キットを使用することで、設計者はワイヤレス IIoT ネットワークを迅速かつ直接展開できます。このモジュールは、-40 °C ～ +85 °C の工業グレードの温度範囲を持ち、アイドル モードとスリープ モードで動作するため、信頼性と消費電力の要件を満たします。 XBee 3 BLU デバイスの消費電流はそれぞれ 7.5 ミリアンペア (mA) と 8 マイクロアンペア (µA) で、アクセスが難しい場所へのリモート センサーの長期設置に対応できるため、定期的なバッテリー交換を必要とせずに貴重な情報を取得できます。
その他の機能は次のとおりです。
最大データ伝送速度は 2 メガビット/秒 (Mb/s) で、複雑な機械の動作を詳細に理解できます。
最大送信電力は+8 デシベルミリワット (dBm) で、屋内で最大 15 メートル、屋外で最大 300 メートルの直視範囲内で高忠実度の通信を実現できます。
13 個のデジタル I/O および 4 個の 10 ビット アナログ - デジタル コンバーター (ADC) 入力、さまざまなデバイスおよびセンサー インターフェイスとの柔軟な統合
1.71 V ～ 3.8 V 電源、柔軟な電源選択
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高度な MicroPython プログラマビリティにより、デバイス上のデータ処理および意思決定システムの迅速な開発が可能になります
北米（FCC、IC）および欧州（ETSI）から包括的な規制認証を取得