توفّر Morse Micro مسارًا عبر USB للاتصال بعيد المدى بالأجهزة الصناعية

قدمت Morse Micro تصميمين مرجعيين لوحدات USB لاسلكية بتقنية Wi‑Fi HaLow، بهدف تسهيل إضافة الاتصال اللاسلكي بعيد المدى إلى معدات لم تُصمم قط لتضمين عتاد Wi‑Fi HaLow.

يعتمد كل من MM8108-RD09 وMM8108-RD17، المبنيان حول النظام على شريحة MM8108 من الشركة، على USB كنقطة اتصال بين Wi‑Fi HaLow والمنصة المضيفة الحالية. ويكتسب هذا النهج أهمية للمستخدمين الصناعيين لأنه يتيح مسارًا محتملًا لترقية الحواسيب والروبوتات وأجهزة الحافة، من دون مطالبة الشركات المصنعة بإعادة تصميم اللوحة الأم المضيفة حول راديو HaLow مخصص.

الشكل 1. يوفر التصميمان المرجعيان MM8108 USB من Morse Micro نهجين مختلفين لإضافة اتصال Wi‑Fi HaLow إلى الأجهزة الحالية.

لماذا يغيّر USB مشكلة الدمج

لطالما نوقش Wi‑Fi HaLow عادةً في سياق معدات إنترنت الأشياء الجديدة، حيث يمكن تصميم الراديو ودمجه في المنتج منذ البداية. لكن البيئات الصناعية مختلفة. فقد يضم مصنع ما حواسيب أو معدات متنقلة أو روبوتات أو وحدات تحكم مدمجة لا يزال أمامها أعوام من الخدمة المفيدة، رغم افتقار تلك المنصات إلى التقنية اللاسلكية المطلوبة لتطبيق جديد.

نادراً ما يكون استبدال المنصة المضيفة بالكامل لمجرد الحصول على واجهة لاسلكية أخرى خيارًا جذابًا. وقد تكون إعادة تصميم الإلكترونيات حول راديو جديد صعبة بالقدر نفسه، لأنها تُدخل اعتبارات هندسة الترددات الراديوية والبرمجيات الثابتة والاعتماد المعياري والتصميم الميكانيكي. وينقل تطبيق USB جزءًا كبيرًا من هذا التعقيد إلى تصميم مرجعي خارجي، ويُبقي بنية المضيف الحالية سليمة إلى حد كبير.

لا يجعل ذلك عملية الدمج سهلة تمامًا بنظام التوصيل والتشغيل في كل تطبيق، لكنه يغير نقطة الانطلاق الهندسية. فبدلًا من التساؤل عن كيفية إعادة تصميم حاسوب صناعي ليدعم Wi‑Fi HaLow، يمكن للمطورين البدء بالسؤال عما إذا كانت واجهة USB الحالية قادرة على توفير الاتصال المطلوب.

يستهدف Wi‑Fi HaLow مجالًا لاسلكيًا مختلفًا

يعتمد Wi‑Fi HaLow على معيار IEEE 802.11ah ويعمل ضمن نطاق طيفي أقل من غيغاهرتز، بدلًا من نطاقات 2.4 غيغاهرتز و5 غيغاهرتز و6 غيغاهرتز المرتبطة بشبكات Wi‑Fi الشائعة. ويُراد للتردد التشغيلي المنخفض أن يوفر مدى أطول وخصائص انتشار أفضل لتطبيقات إنترنت الأشياء، مع الحفاظ على شبكات IP الأصلية.

تقول Morse Micro إن تطبيقات HaLow الخاصة بها يمكن أن توفر اتصالًا بالشبكة عبر مسافات تصل إلى نحو كيلومتر واحد، رغم أن المدى الصناعي الفعلي سيعتمد دائمًا على لوائح الترددات المحلية والهوائيات وقدرة الإرسال والعوائق والتداخل والبيئة المادية.

وهذا يجعل التقنية مثيرة للاهتمام للمواقع التي يصبح فيها توفير تغطية Wi‑Fi التقليدية صعبًا أو يتطلب بنية تحتية كثيفة. فالمستودعات ومناطق العمليات الخارجية وساحات الخدمات اللوجستية والمنشآت الزراعية والأصول الصناعية الموزعة، كلها قد تتضمن مسافات يصعب تغطيتها باستخدام افتراضات الاتصال اللاسلكي الداخلي المعتادة.

لا تقتصر جاذبية التقنية على أقصى مدى. فقد صُممت Wi‑Fi HaLow أيضًا لتشغيل أجهزة إنترنت الأشياء منخفضة الطاقة، مع الحفاظ على شبكات مألوفة قائمة على بروتوكول IP. ويمكن أن يقلل ذلك الحاجة إلى ترجمة البروتوكولات بين الوصلة اللاسلكية وبنية Ethernet أو IP التقليدية.

يُوسّع RD09 نطاق Wi‑Fi HaLow ليشمل البنية التحتية الحالية للشبكات

صُمم MM8108-RD09 للعمل في تطبيقات نقاط الوصول والمحطات على حد سواء. وتوفر Morse Micro دعمًا لـ OpenWrt يتيح ترقية أجهزة التوجيه ونقاط الوصول المتوافقة المزودة باتصال USB بقدرات Wi‑Fi HaLow.

وهذا يجعل RD09 ذا صلة خاصة بمطوري البنية التحتية ومتكاملي الأنظمة. فقد توفر منصة موجّه موجودة مسبقًا وظائف توجيه Ethernet وجدار الحماية والإدارة وغيرها من وظائف الشبكة، بينما يضيف التصميم المرجعي عبر USB طبقة راديو HaLow.

يمكن للتصميم نفسه أيضًا دعم أجهزة العملاء. وتدرج Morse Micro دعمًا أصليًا لبرنامجي Windows وLinux، إلى جانب تطبيق لنظام macOS، مما يتيح لأجهزة الكمبيوتر التقليدية الاتصال بشبكات Wi‑Fi HaLow عبر جهاز USB.

من منظور التكامل الصناعي، هذه بنية مألوفة نسبيًا: يفهم نظام التشغيل المحول اللاسلكي من خلال برنامج مخصص، ويمكن للمضيف التفاعل مع شبكة HaLow باعتبارها واجهة شبكة.

يتبع RD17 نهجًا أكثر إثارة للاهتمام للمعدات الصناعية

يعالج MM8108-RD17 مشكلة مختلفة. فبدلاً من مطالبة المضيف بفهم محول Wi‑Fi HaLow مخصص وبرنامج التشغيل المقابل، يقدّم الجهاز نفسه كواجهة Ethernet قياسية من نوع CDC-NCM.

لذلك يبدو الاتصال للمضيف أقرب بكثير إلى واجهة شبكة تقليدية. وتصف Morse Micro جهاز RD17 بأنه لا يحتاج إلى برنامج تشغيل، لأن الأجهزة التي تدعم واجهة CDC-NCM القياسية لا تحتاج إلى تثبيت برنامج تشغيل مخصص لشبكة Morse Micro Wi‑Fi HaLow على المضيف.

هذا التمييز مهم في الأنظمة الصناعية التي قد تكون بيئاتها البرمجية خاضعة لضوابط صارمة. فقد يعمل الكمبيوتر الصناعي باستخدام صورة نظام تشغيل معتمدة لا يرغب المشغلون في تعديلها. وقد يوفّر متحكم الروبوت أو المنصة المضمنة دعمًا لـ USB، مع مرونة محدودة لإضافة برامج تشغيل نواة من جهات خارجية.

من خلال نقل جزء أكبر من التنفيذ الخاص بـ HaLow بعيدًا عن المضيف، يوسّع RD17 نطاق المعدات التي يمكنها استخدام هذه التقنية اللاسلكية. وتحدّد Morse Micro أجهزة الكمبيوتر الصناعية والروبوتات على وجه التحديد ضمن تطبيقاتها المستهدفة، إلى جانب أجهزة نقاط البيع وأجهزة Android أو iOS.

عدم الحاجة إلى برنامج تشغيل لا يعني عدم الحاجة إلى الإعداد

قد يخلق مصطلح «من دون برنامج تشغيل» بسهولة انطباعًا بعدم الحاجة إلى أي عمل تكاملي. لكن النقطة المهمة عمليًا أضيق نطاقًا: لا يحتاج المضيف إلى برنامج تشغيل مخصص لشبكة Wi-Fi HaLow إذا كان يدعم بالفعل واجهة Ethernet القياسية CDC-NCM.

لا تزال إعدادات الشبكة والمصادقة والعنونة والاتصال على مستوى التطبيق بحاجة إلى أخذها في الاعتبار. كما يجب على المهندسين الصناعيين تقييم كيفية تفاعل مسار الاتصال اللاسلكي الجديد مع تقسيم الشبكة الحالي وسياسات الأمن السيبراني وممارسات إدارة الأجهزة.

يدعم RD17 ميزة Wi-Fi Easy Connect، المعروفة أيضًا باسم Device Provisioning Protocol، مع توفير زر اقتران لمصادقة الجهاز. ويمكن أن يؤدي ذلك إلى تبسيط عملية الإضافة إلى النظام مقارنةً بتزويد بيانات اعتماد الاتصال اللاسلكي يدويًا من خلال تطبيق خاص بالمضيف.

بالنسبة إلى المؤسسات التي تدير العديد من الأجهزة الموزعة، غالبًا ما تكون عملية الإضافة إلى النظام مهمة بقدر أهمية أداء الاتصال اللاسلكي. إذ يصبح تشغيل وصلة لاسلكية قادرة تقنيًا على نطاق واسع أمرًا صعبًا إذا تطلبت كل نقطة نهاية سير عمل مختلفًا للتزويد.

أجهزة الكمبيوتر الصناعية الحالية تمثل حالة استخدام واضحة

غالبًا ما تبقى أجهزة الكمبيوتر الصناعية قيد الخدمة لفترة أطول بكثير من معدات الحوسبة الاستهلاكية. وقد تواصل معالجاتها وواجهات الإدخال والإخراج وبرامجها تلبية متطلبات التطبيقات حتى عندما لا تعود خيارات الشبكات الأصلية متوافقة مع بنية مصنع جديدة.

توفّر واجهة HaLow المعتمدة على USB طريقة محتملة لإطالة عمر هذه الأنظمة دون استبدال الكمبيوتر. فعلى سبيل المثال، يمكن لجهاز كمبيوتر صناعي يُستخدم لمراقبة المعدات البعيدة الاتصال عبر HaLow، مع الحفاظ على برامجه الحالية ومكدس التطبيقات المعتمد على Ethernet.

ينطبق هذا بشكل خاص على منصات واجهات HMI والحوسبة الصناعية، حيث غالبًا ما يتجاوز العمر الافتراضي المفيد للأجهزة دورة حياة تقنيات الاتصال الفردية.

تنطبق الفكرة نفسها على أنظمة الحوسبة الطرفية. فقد يجمع جهاز طرفي معلومات المستشعرات، أو يجري تحليلات محلية، أو ينفذ استدلالًا بالتعلّم الآلي بالقرب من العملية. وإذا كان اتصال الشبكة الحالي لا يستطيع تغطية المسافة المطلوبة بتكلفة اقتصادية، فقد تكون إضافة واجهة راديوية أخرى أسهل من إعادة تصميم المنصة الطرفية بأكملها.

تفرض الروبوتات مجموعة مختلفة من متطلبات الاتصال

وتُعد الروبوتات والأجهزة الصناعية المستقلة مجالًا آخر قد يكون فيه نهج USB مفيدًا، رغم اختلاف متطلبات الاتصال اختلافًا كبيرًا بين التطبيقات. ولا ينبغي نقل كل وصلة اتصال روبوتية إلى شبكة لاسلكية طويلة المدى، لا سيما عند الحاجة إلى تحكم حتمي أو اتصال متعلق بالسلامة.

ومع ذلك، هناك العديد من تدفقات البيانات الثانوية التي لا تتطلب من الشبكة اللاسلكية إغلاق حلقة التحكم الرئيسية في الحركة. ويمكن أن تكون المعلومات التشخيصية وبيانات حالة المعدات وحالة الإنتاج وإدارة البرمجيات ومعلومات مستشعرات مختارة مرشحةً جميعها لاتصال منفصل.

قد يتجاوز روبوت متنقل يعمل عبر منشأة كبيرة أيضًا نطاق التغطية العملي لنقطة وصول تقليدية واحدة. وقد يؤدي توسيع الاتصال عبر الشبكات اللاسلكية دون غيغاهرتز إلى تقليل بعض تحديات التغطية، تبعًا لتخطيط الموقع ومتطلبات الأداء.

لذلك، لا يتمثل السؤال الهندسي في ما إذا كان ينبغي لشبكة Wi-Fi HaLow استبدال كل تقنيات الاتصال اللاسلكي الصناعية الحالية. بل يتمثل في ما إذا كان مزيجها من المدى الطويل وشبكات IP والتشغيل منخفض استهلاك الطاقة يلائم مسار اتصال محددًا بصورة أفضل من البدائل.

يمكن للمدى الطويل تقليل البنية التحتية، لكن تخطيط الترددات الراديوية يظل مهمًا

يبدو تحديد نطاق بمقياس الكيلومترات جذابًا، لكن المواقع الصناعية نادرًا ما تشبه بيئات الاختبار المفتوحة في المختبرات. إذ يمكن للهياكل الفولاذية والآلات ورفوف التخزين وأوعية المعالجة والجدران المسلحة أن تؤثر جميعًا في انتشار الترددات الراديوية، بينما قد تسهم المعدات القريبة في الضوضاء الكهربائية والتداخل.

ولهذا السبب، قد تتمثل الفائدة العملية من HaLow في تقليل عدد نقاط الوصول أو تحسين التغطية في المناطق الصعبة، بدلًا من مجرد تحقيق أقصى مسافة معلَن عنها. ويظل إجراء مسح للموقع واختبار التركيب الفعلي أمرين مهمين كلما حملت الشبكة اللاسلكية بيانات مهمة للتشغيل.

يختلف نطاق التشغيل دون غيغاهرتز أيضًا حسب المنطقة، ما يعني ضرورة مراعاة تهيئة المنتج والمتطلبات التنظيمية عند نشر المعدات دوليًا. ولا يمكن لمصنّعي المعدات الأصلية الصناعيين الذين يخططون لمنصة واحدة لعدة أسواق افتراض تطابق معلمات الراديو في كل مكان.

تبسّط عناوين IP الأصلية بنية الشبكة

تتمثل إحدى أهم خصائص Wi‑Fi HaLow للتكامل الصناعي في اتصال IP الأصلي. فبعض تقنيات إنترنت الأشياء طويلة المدى مُحسّنة عمدًا لشبكات المستشعرات منخفضة معدل البيانات، وتعتمد على بوابات لترجمة بروتوكول الراديو بين شبكات IP القياسية.

تتبع HaLow نهجًا مختلفًا. إذ يمكن للأجهزة المشاركة مباشرةً في شبكات IP، ما قد يجعل الدمج أكثر ألفةً للفرق التي تدير بالفعل بنية Ethernet وWi‑Fi التحتية.

لا يلغي هذا الحاجة إلى البوابات النقطية أو جدران الحماية أو التوجيه عندما تتطلب البنية ذلك. بل يعني ببساطة أن ترجمة البروتوكولات لا يجب أن تكون جزءًا أساسيًا من كل اتصال.

بالنسبة إلى المهندسين العاملين عبر أنظمة الاتصالات والشبكات الصناعية، قد يقلل هذا الإلمام من بعض أعمال دمج البرمجيات المرتبطة عادةً بإضافة تقنية راديو متخصصة طويلة المدى.

يوفر MM8108 هامشًا أكبر من مجرد اتصال المستشعرات البسيطة

يُعد MM8108 شريحة SoC من الجيل الثاني لتقنية Wi‑Fi HaLow من Morse Micro. وتحدد الشركة معدلات بيانات PHY تصل إلى نحو 43.3 ميغابت في الثانية في ظل ظروف التشغيل المدعومة، ما يضع الجهاز أعلى بكثير من متطلبات معدل النقل للعديد من تطبيقات القياس عن بُعد الأساسية.

هذا لا يعني أن تركيبًا صناعيًا سيحقق باستمرار الحد الأقصى لمعدل PHY، ولا سيما على المدى الممتد. إذ يتأثر معدل نقل التطبيقات الفعلي بظروف القناة والتضمين والعبء الزائد للبروتوكول وتصميم الشبكة.

ومع ذلك، يساعد هذا في تفسير سبب طرح Morse Micro لتصميمات USB الجديدة لتطبيقات الذكاء الاصطناعي الطرفي، إلى جانب اتصال إنترنت الأشياء التقليدي. ويمكن للأنظمة الطرفية الموزعة توليد معلومات أكثر بكثير من مستشعرات الحرارة أو الضغط البسيطة، ولا سيما عندما تتضمن التطبيقات تشخيص الآلات أو الصور أو مجموعات بيانات تشغيلية أكثر ثراءً.

يمكن لـ USB أيضًا تسريع إنشاء النماذج الأولية

لا تقتصر قيمة التصميم المرجعي على تحديث معدات الإنتاج لتتوافق معه. فقد تُسهّل أجهزة USB أيضًا التقييم المبكر، إذ لا يضطر المطورون إلى الالتزام فورًا بلوحة راديو مخصصة.

يمكن لمتكامل الأنظمة اختبار التغطية ومعدل النقل وسلوك التطبيق باستخدام مضيف موجود، قبل اتخاذ قرار بشأن ما إذا كان ينبغي لتصميم الإنتاج اللاحق الإبقاء على تنفيذ USB أو دمج MM8108 مباشرةً.

يُخفّض هذا العائق أمام الإجابة عن السؤال المبكر الأكثر أهمية: هل تحل تقنية Wi‑Fi HaLow فعليًا مشكلة الاتصال في هذا الموقع؟

إذا كانت الإجابة بالنفي، يكون فريق الهندسة قد تجنب جهداً كبيراً لتطوير العتاد. أما إذا كانت الإجابة بالإيجاب، فيمكن للقياسات التي جُمعت خلال مرحلة النموذج الأولي أن تساعد في تحديد موضع الهوائي وطوبولوجيا الشبكة وتصميم المنتج مستقبلاً.

تصميمان مرجعيان يعالجان مساري ترقية مختلفين

يُعد الفرق بين RD09 وRD17 في نهاية المطاف أهم من حقيقة أن كلا المنتجين يستخدم USB. إذ يدمج RD09 تقنية HaLow كواجهة لاسلكية أصلية، وهو مناسب بوجه خاص لأجهزة التوجيه ونقاط الوصول وأجهزة الكمبيوتر التي يكون فيها توفير دعم برمجي مخصص أمراً عملياً.

يجرد RD17 قدراً أكبر من عملية التكامل من المضيف عبر ظهوره كواجهة Ethernet قياسية من نوع CDC-NCM. وهذا يجعله مناسباً بدرجة أكبر للمعدات الصناعية والمضمنة التي يكون تثبيت برامج تشغيل لاسلكية إضافية فيها غير مرغوب فيه أو مستحيلاً.

يعالج النهجان المشكلة الأوسع نفسها: فقد صُممت قاعدة كبيرة من المعدات المركبة قبل أن تصبح Wi‑Fi HaLow متاحة تجارياً، ومن الصعب تبرير استبدال تلك المعدات لمجرد اكتساب تقنية راديو أخرى.

الفرصة الأكبر هي الاتصال من دون إعادة تصميم الآلة

لذلك، تكمن الأهمية الصناعية لتصميمات Morse Micro المرجعية الجديدة بدرجة أقل في موصل USB نفسه، وبدرجة أكبر في ما يتجنبه هذا الموصل. فقد تحصل المعدات الحالية على إمكانية الوصول إلى شبكات دون 1 غيغاهرتز طويلة المدى من دون إعادة تصميم كاملة للمضيف، بينما يستطيع المطورون تقييم HaLow باستخدام منصات عتادية يفهمونها بالفعل.

قد يكون ذلك مفيداً لأجهزة الكمبيوتر الصناعية والروبوتات وأجهزة الحافة والبنية التحتية للشبكات الموزعة عبر منشآت كبيرة، حيث يصعب توسيع تغطية Wi‑Fi التقليدية أو يكون مكلفاً. ويكتسب RD17 أهمية خاصة لأن تقديمه القياسي عبر Ethernet يقلل الاعتماد على برامج التشغيل اللاسلكية الخاصة بالمضيف، ويزيل عقبة شائعة في الأنظمة القديمة والمضمنة.

لن تحل Wi‑Fi HaLow محل كل شبكة صناعية، ولا ينبغي التعامل مع الاتصال اللاسلكي طويل المدى على أنه بديل للبنية التحتية للتحكم الحتمي. بل قد يتمثل دورها الأقوى في سد الفجوة بين Wi‑Fi التقليدية قصيرة المدى وشبكات إنترنت الأشياء المتخصصة منخفضة معدل البيانات، ولا سيما عندما تحتاج المعدات إلى اتصال أصلي ببروتوكول IP عبر مساحة مادية أكبر.

بالنسبة للمهندسين الصناعيين، تجعل تصميمات USB الجديدة اختبار هذا الخيار أسهل. فبدلاً من البدء بمشروع جديد للوحة أم ووحدة راديو وتكامل برمجي، يمكن أن تبدأ التجربة الأولى الآن بمنفذ USB متاح.