Pro bezdrátovou komunikaci se používají sítě IEEE 802.15.4, Zigbee, Bluetooth, ale v některých případech se využívá bezdrátový protokol s nízkou spotřebou a vysokou propustností jako je IEEE 802.11 g/n, který poskytuje vysokorychlostní přístup k síti do vzdálenosti až 300 metrů ve venkovním prostředí. Tato bezdrátová zařízení musí splňovat normy Federální komise pro komunikace (FCC) v USA, požadavky Evropského institutu pro telekomunikační normy (ETSI) a normy EN 300 328 a EN 62368-1 v Evropě, Inovace, věda a ekonomický rozvoj (ISED) v Kanadě a Ministerstvo vnitra a komunikací (MIC) v Japonsku.
Návrh bezdrátového připojení a získání potřebných certifikací je časově náročný proces. Proto jsou na trhu certifikované bezdrátové moduly, které lze snadno integrovat inteligentních systémů. Tento článek začíná přehledem komunikačních sítí a architektur včetně připojení ke cloudovým službám a pak nás seznámí s platformami od Digi, Silicon Labs, Laird Connectivity, Infineon a STMicroelectronics.
Příležitost a výzva zároveň
Zavádění chytré energie do infrastruktury chytrých měst přináší mnoho příležitostí ale také mnoho výzev. V první řadě je nutné efektivně integrovat inteligentní řešení do stávající infrastruktury. Pak je nutné vhodně rozmístit bezdrátové sítě, aby se dosáhlo stoprocentního pokrytí a systém se stal efektivní, robustní, flexibilní a snadno rozšiřitelný. Pokročilé systémy automatizovaného řízení dopravy pomáhají zvýšit bezpečnost, snížit spotřebu energie a snížit dopad vozidel na životní prostředí.
Na obrázku 1 je systém centralizovaného řízení provozu připojen k síti prostřednictvím širokopásmové optické a bezdrátové páteřní komunikace ( Backhaul). Další prvky systému jsou ethernetové a mobilní směrovače, které podporují IP zařízení na lokální úrovni. V některých případech je přidáno napájení přes Ethernet (PoE), aby se rozšířily možnosti sítě, a tím i celého systému. Stávající zařízení lze integrovat prostřednictvím speciálních rozhraní a sériových portů. Lokální Wi-Fi a Bluetooth zařízení monitorují hustotu provozu včetně chodců a výsledná data jsou lokálně analyzována a odeslána do centrálního systému řízení dopravy pro sofistikovanější řízení. Kombinaci dopravních kamer, senzorů, radarů či lidarů a dalších zdrojů důležitých informací se využívají nejen v lokálních pokročilých řídicích jednotkách dopravy (ASTC), ale i v centrech správy pro optimalizaci dopravních toků v reálném čase.
Obrázek 1: Automatizované řízení dopravy v chytrém městě sahá od Wi-Fi detekce chodců a vozidel až po dopravní kamery a ovladače ASTC(advanced solid state traffic controllers) a centralizované centrum řízení a kontroly dopravy. (Zdroj obrázku: Digi)
Celková energetická účinnost, veřejná bezpečnost a snížené dopady na životní prostředí lze zvýšit pomocí detekce a následujícím snížení přetížení dopravních toků a časovým plánováním téměř v reálném čase pomocí místních a centralizovaných ovládacích prvků. Úpravou časového plánu se dosáhne vyšší efektivity hromadné dopravy, a tím se sníží plýtvání energie a dopad na životní prostrředí.
Města budoucnosti
Chytrá města se zaměřují na integrovanou energetickou účinnost a lepší kvalitu života. Elektromobily a chytrá nebo autonomní vozidla se možná stanou normou. Nákladní auta, autobusy a stavební stroje tvoří podle Infineonu asi čtvrtinu emisí CO2 ve městě a asi pět procent celkových emisí skleníkových plynů (GHG). Kromě nabíjení osobních vozidel a elektrokol bude nutné vyvinout integrovanou nabíjecí infrastrukturu i pro nákladní auta. Popřípadě vybudovat obří skladiště baterií, kde bude docházet k výměně vybitých baterií za nabité. Dobíjecí infrastruktura bude muset být propojena a centrálně řízena, aby se efektivně řídila rychlost nabíjení pro různé typy vozidel.
Snížení dopadů na životní prostředí, zlepšení kvality života a efektivní využívání energie se neobejde bez komplexní bezdrátové sítě, která je schopna komunikovat v reálném čase. Je nutné monitorovat aktuální stav obnovitelných zdrojů energie a jejich ukládání pro pozdější využití. Efektivní využívání se netýká jen elektrické energie, ale je nutné se zaměřit také na hospodaření s vodou a následné využití odpadních vod (obrázek 2).
Obrázek 2: Služby chytrého města se budou spoléhat na robustní bezdrátové sítě komunikující v reálném čase pro propojení různých aplikací. (Zdroj obrázku: Infineon)
Bezdrátové moduly pro zabezpečené sítě
Digi XBee RR Wireless Modules založený na bezdrátovém SoC EFR32MG21B020F1024IM32-BR od Silicon Labs obsahuje 80 MHz jádro ARM Cortex-M33 a integrovaný bezpečnostní subsystém. Moduly XBee jsou schopny komunikovat pomocí Zigbee, 802.15.4, DigiMesh a také Bluetooth BLE. Ke konfiguraci a programování těchto modulů lze použít mobilní telefon, jelikož je k dispozici mobilní aplikace XBee. K dispozici je také konfigurační platforma XCTU pro Windows, MacOS a Linux. XCTU používá grafické zobrazení sítě pro zjednodušení konfigurace bezdrátové sítě a vývojový nástroj pro rychlé vytváření rámců XBee API. Mezi další vlastnosti a možnosti modulů patří:
- Velikost modulu je 13 mm x 19 mm a jsou k dispozici tři typy montáže: micro montáž pro XBRR-24Z8UM, povrchová montáž pro XBRR-24Z8PS-J a through hole montáž pro XBRR-24Z8ST-J (obrázek 3)
- Verze PRO je certifikována dle FCC pro použití v Severní Americe a standardní verze splňuje normy ETSI pro použití v Evropě
- Konfigurace modulů s nízkým a vysokým výkonem
- Dosah uvnitř budovy nebo v zástavbě je zhruba 90 m
- V závislosti na podmínkách je dosah ve volném prostoru až 3200
- Integrované bezpečnostní funkce umožňují jednoduchou implementaci device security, device identity a data privacy.
Obrázek 3: Možnosti pouzder bezdrátových modulů Digi XBee: mikro montáž (vlevo), povrchová montáž (uprostřed) a through hole (vpravo). (Zdroj obrázku: Digi-Key)
Inteligentní brány
Moduly Sterling LWB+ od Laird Connectivity jako je 453-00084R jsou vysoce výkonné 2,4 GHz kombinované moduly WLAN a Bluetooth určené pro bezdrátová zařízení IoT a chytré brány. Jsou založeny na jednočipovém rádiovém integrovaném obvodu AIROC CYW43439 od Infineonu a vyznačují se rozsahem provozních teplot od -40 °C do +85 °C, díky čemuž jsou vhodné i pro průmyslové či energetické aplikace. Moduly Sterling LWB+ mají globální certifikace FCC, ISED, EU, MIC a AS/NZS. Laird Connectivity a Infineon podporují nejnovější ovladače pro Android a Linux.
Integrovaná čipová anténa je odolná proti rozladění a zjednodušuje návrh a výrobu celého systému. Řada Sterling LWB+ je k dispozici ve formě SIP a obsahují trasovací pin, integrovanou čipovou anténu a konektor MHF4. Moduly jsou vybaveny šifrovacími nástroji WPA/WPA2/WPA3. Tyto moduly jsou dostupné ve čtyřech typech pouzder, aby vyhovovaly co největšímu počtu aplikací (obrázek 4).
Obrázek 4: Základní Sterling LWB+ SIP (vlevo), modul s MHF konektorem (druhý zleva), modul s integrovanou anténou (třetí zleva) a ve formě karty (vpravo). (Zdroj obrázku: Laird Connectivity)
Pro urychlení vývoje bezdrátových IoT zařízení a chytrých bran lze využít vývojovou sadu 453-00084-K1, která obsahuje modul 453-00084R s integrovaným MHF konektorem (obrázek 5).
Obrázek 5: Tato vývojová sada obsahuje modul Laird's 453-00084R Sterling LWB+ s integrovaným MHF konektorem (zdroj obrázku: Laird Connectivity)
Bezdrátové průmyslové senzorové uzly
Bezdrátové senzorové uzly jsou důležitou součástí chytré energie v chytrých městech. STMicroelectronics nabízí vývojovou sadu a referenční zapojení STEVAL-STWINKT1B SensorTile. Tato sada obsahuje rozšiřující desku X-NUCLEO-SAFEA1A, která má integrovanou zabezpečenou správu dat, Bluetooth modul BLUENRG-M2SA a mikrofonní MEMS modul IMP23ABSUTR. Mikrofon MEMS je navržen pro analýzu dat vibrací 9 stupňů volnosti (DoF) v širokém rozsahu frekvencí od 35 Hz až po ultrazvukové pásmo. Obsahuje také akcelerometr, gyroskop, senzor vlhkosti, magnetometr a senzory tlaku a teploty.
Součástí Dev kit SensorTile je také přístup k řadě softwarových balíčků, firmwarovým knihovnám a cloudovým aplikacím pro vývoj komplexních end-to-end senzorových systémů. Integrovaný modul poskytuje konektivitu BLE, transceiver RS484 nabízí možnost kabelového připojení a rozšiřující deska STEVAL-STWINWFV1 nabízí připojení Wi-Fi. Hlavní deska obsahuje konektor STMod+ pro přidání malých desek založených na rodině mikrokontrolerů STM32. Vývojová sada se skládá z 480 mAh Li-polymerové baterie, samostatné ladicí a programovací sondy STLINK-V3MINI a plastové krabičky (obrázek 6).
Obrázek 6: Vývojová sada STEVAL-STWINKT1B SensorTile zahrnuje komplexní sadu senzorů a podporu několika možností připojení. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)
Závěr
Inteligentních energetické systémy zvyšují energetickou účinnost, zlepšují veřejnou bezpečnost a pomáhají efektivně využívat vodu a energii, a tím snižují emise CO2 a skleníkové plyny. Existuje celá řada bezdrátových modulů a vývojových prostředí pro nízkoenergetické bezdrátové protokoly Wi-Fi, Zigbee a Bluetooth, které poskytují bezpečnou a robustní konektivitu potřebnou pro chytrou energii a veřejné služby v infrastrukturách inteligentních měst.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
