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 データによる効率の向上と予知保全によるダウンタイムの削減により、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あり方を変えることが証明されています。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し、ネットワークの混雑に対処し、セキュリティを確保するという課題に直面することになります。
このペーパーでは、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の概要を説明します。次に、Digi の低電力 Bluetooth (BLE) モジュールと開発キットを紹介し、これらの製品がどのようにして上記の問題を迅速かつ効果的に解決できるかを説明します。
ワイヤレス IoT インフラストラクチャの拡大における課題
IIoT は、効率と予測可能性を向上させるためにデータ取得が不可欠な幅広いアプリケーションをカバーしています。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率のデータを収集し、リアルタイムで使用量を調整して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は、システムの状態とパフォーマンスを監視し、障害を予測し、送電網の供給を動的に調整します。
産業オートメーション技術が使用され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、予知保全を実行するための鍵となります。産業システム全体に数百の無線センサーが設置されており、プロセスの最適化、メンテナンスの削減、運用コストの削減のためのきめ細かいデータ情報を提供します。ただし、センサー ネットワークのサイズが拡大すると、パフォーマンスに影響を与える次のような問題が発生する可能性があります。
障害: 産業環境は、モーター、スイッチング モード電源、アーク溶接装置によって発生する高レベルの電磁干渉 (EMI) の影響を受けることがよくあります。この EMI はデータ伝送速度の断続的な低下を引き起こし、効果的なデータ伝送に重大な影響を与える可能性があります。
ネットワークの過密状態: 複数のワイヤレス デバイスを近接して動作させると、ネットワークが飽和状態になり、遅延が大きくなり、接続が停止する可能性があります。これにより、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ストラクチャに危険をもたらすため、センサー ネットワークには堅牢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えると、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。ただし、これらのプロセス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、コストと消費電力が急速に増加します。さらに、現場のセンサーの数が増加するにつれて、センサーのメンテナンスは、故障であろうと単なるバッテリー交換であろうと予測不可能であるため、メンテナンスがますます複雑になっています。
大規模 IIoT における Bluetooth テクノロジー
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を解決する強力なソリューションです。たとえば、適応型周波数ホッピング (AFH) を使用することにより、Bluetooth テクノロジーは耐性を向上させます。 AFH はデータを小さなパケットに分割し、複数の周波数で送信し、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、損失レポートが送信された後に損失パケットが再送信されます。
ネットワークの過密を回避するために、Bluetooth テクノロジは、接続が確立された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。このアプローチと AFH を組み合わせることで、EMI を最小限に抑えながらエネルギーの節約に貢献し、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、強力な暗号化と回復力のある検証プロトコルを使用してセキュリティの脆弱性を軽減します。
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接続するよう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でき、それによってセットアップと診断が簡素化され、メンテナンス効率が向上します。
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、コスト効率を高め、メンテナンスを簡素化する必要があります。
産業グレードの BLE 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と、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。このモジュールの工業用温度範囲は -40 °C ～ +85 °C で、アイドル動作モードと休止動作モードを使用して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 (μ A) で、困難な場所でのリモート センサーの長期設置に対応できるため、定期的な電池交換を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、複雑な機械の動作に関する詳細な情報を提供します。
最大送信出力は+8dBミリワット(dBm)で、屋内15メートル(m)または屋外300メートルの直視範囲内で高忠実度の通信を実現します。
デジタル I/O および 4 つの 10 ビット ADC 入力により、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が可能
V ～ 3.8 V 電源、柔軟な電源選択
セキュア ブート、保護されたハードウェア ポート、デバイス検証を含む、デバイスとネットワークを保護するための Digi TrustFence セキュリティ
デバイス上のデータ処理および意思決定システムを迅速に開発するための最先端のマイクロプログラマビリティ
北米 (FCC、IC) およびヨーロッパ (ETSI) では完全に規制されています