قدمت Morse Micro تصميمين مرجعيين لوحدات USB من نوع الدونغل بتقنية Wi-Fi HaLow، بهدف تسهيل إضافة الاتصال اللاسلكي بعيد المدى إلى المعدات التي لم تُصمَّم أصلًا بعتاد Wi-Fi HaLow مدمج.

يعتمد كل من MM8108-RD09 وMM8108-RD17، المبنيين على النظام على شريحة MM8108 من الشركة، على USB كنقطة اتصال بين Wi-Fi HaLow والمنصة المضيفة الحالية. وتكتسب هذه المقاربة أهمية للمستخدمين الصناعيين لأنها تتيح مسارًا محتملًا لترقية الحواسيب والروبوتات وأجهزة الحافة، من دون مطالبة المصنّعين بإعادة تصميم اللوحة الأم المضيفة حول راديو HaLow مخصص.

الشكل 1. يوفر التصميمان المرجعيان MM8108-RD09 وMM8108-RD17 من Morse Micro نهجين مختلفين لإضافة اتصال Wi-Fi HaLow إلى الأجهزة الموجودة.

لماذا تغيّر USB مشكلة التكامل

نوقشت 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 المصنع حواسيب أو معدات متنقلة أو روبوتات أو وحدات تحكم مضمّنة ما زالت أمامها سنوات من الخدمة المفيدة، رغم افتقار هذه المنصات إلى التقنية اللاسلكية المطلوبة لتطبيق جديد.

قلّما 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، والبرامج الثابتة، والاعتماد، والتصميم الميكانيكي. وتنقل حلول USB جزءًا كبيرًا من هذا التعقيد إلى تصميم مرجعي خارجي، مع إبقاء بنية المضيف الحالية سليمة إلى حد كبير.

لا يجعل ذلك التكامل سهلًا تمامًا للتوصيل والتشغيل في كل تطبيق، لكنه يغيّر 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 موجودة يمكنها توفير الاتصال المطلوب.

تستهدف Wi-Fi HaLow مجالًا لاسلكيًا مختلفًا

تستند Wi-Fi HaLow إلى معيار IEEE 802.11ah وتعمل ضمن نطاق الطيف دون الغيغاهرتز، بدلًا من نطاقات 2.4 غيغاهرتز و5 غيغاهرتز و6 غيغاهرتز المرتبطة بشبكات Wi-Fi السائدة. ويُراد من تردد التشغيل المنخفض توفير مدى أطول وخصائص انتشار أفضل لتطبيقات إنترنت الأشياء، مع الحفاظ على شبكات IP الأصلية.

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

وهذا يجعل التقنية مثيرة للاهتمام في المواقع التي تصبح فيها تغطية Wi-Fi التقليدية صعبة أو تتطلب بنية تحتية كثيفة. فقد تشمل هذه المواقع المستودعات، ومناطق العمليات الخارجية، وساحات الخدمات اللوجستية، والمنشآت الزراعية، والأصول الصناعية الموزعة؛ إذ قد تنطوي جميعها على مسافات يصعب تغطيتها باستخدام افتراضات الاتصال اللاسلكي الداخلي المعتادة.

لا تقتصر جاذبية التقنية على المدى الأقصى. 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.

يوسّع 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، مما يتيح ترقية أجهزة التوجيه ونقاط الوصول المتوافقة والمزودة باتصال USB بإمكانات Wi-Fi HaLow.

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

ويمكن للتصميم نفسه دعم أجهزة العملاء أيضًا. وتسرد Morse Micro دعمًا أصليًا لبرنامجي التشغيل Windows وLinux، إلى جانب تطبيق لنظام macOS، مما يتيح للحواسيب التقليدية الاتصال بشبكات Wi-Fi HaLow عبر جهاز USB.

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

يتبع RD17 مسارًا أكثر إثارة للاهتمام للمعدات الصناعية

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

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

هذا التمييز مهم في الأنظمة الصناعية حيث يمكن التحكم في بيئات البرمجيات بشكل صارم. فقد يعمل حاسوب صناعي باستخدام صورة تشغيل تم التحقق من صحتها، ولا يرغب المشغلون في تعديلها. وقد توفر وحدة تحكم روبوت أو منصة مضمّنة أيضًا دعمًا لـ USB، مع مرونة محدودة لإضافة برامج تشغيل نواة تابعة لجهات خارجية.

من خلال نقل جزء أكبر من تنفيذ الوظائف الخاصة بـ HaLow بعيدًا عن المضيف، قد يوسّع RD17 نطاق المعدات القادرة على استخدام هذه التقنية اللاسلكية. وتحدد Morse Micro الحواسيب الصناعية والروبوتات على وجه الخصوص ضمن تطبيقاتها المستهدفة، إلى جانب محطات نقاط البيع وأجهزة Android أو iOS.

عدم الحاجة إلى برنامج تشغيل لا يعني عدم الحاجة إلى التهيئة

يمكن أن يوحي مصطلح «من دون برنامج تشغيل» بسهولة بعدم الحاجة إلى أي عمل تكاملي. لكن النقطة المهمة أضيق نطاقًا في الواقع: لا يحتاج المضيف إلى برنامج تشغيل مخصص لـ Wi-Fi HaLow عندما يكون داعمًا بالفعل لواجهة Ethernet القياسية CDC-NCM.

لا يزال يتعين مراعاة تهيئة الشبكة والمصادقة والعنونة والاتصال على مستوى التطبيق. كما يجب على المهندسين الصناعيين تقييم كيفية تفاعل المسار 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 توفر زر اقتران لمصادقة الجهاز. وقد يبسّط ذلك عملية الإعداد الأولي مقارنةً بتزويد بيانات اعتماد الشبكة اللاسلكية يدويًا عبر تطبيق خاص بالمضيف.

بالنسبة إلى المؤسسات التي تدير عددًا كبيرًا من الأجهزة الموزعة، غالبًا ما تكون عملية الإعداد الأولي مهمة بقدر أداء الراديو. إذ يصبح تشغيل وصلة لاسلكية قادرة تقنيًا صعبًا على نطاق واسع إذا تطلبت كل نقطة طرفية سير عمل مختلفًا للتزويد.

الحواسيب الصناعية الحالية حالة استخدام واضحة

غالبًا ما تظل الحواسيب الصناعية قيد الخدمة مدة أطول بكثير من معدات الحوسبة الاستهلاكية. فقد تواصل معالجاتها وواجهات الإدخال والإخراج وبرامجها تلبية متطلبات التطبيقات حتى عندما لا تعود خيارات الشبكات الأصلية متوافقة مع بنية مصنع جديدة.

توفر واجهة HaLow قائمة على USB طريقة محتملة لتمديد عمر هذه الأنظمة دون استبدال الحاسوب. فعلى سبيل المثال، يمكن لحاسوب صناعي يُستخدم لمراقبة المعدات البعيدة أن يتصل عبر HaLow مع الحفاظ على برامجه الحالية ومكدس التطبيقات القائم على Ethernet.

ينطبق ذلك بصفة خاصة على منصات واجهات الإنسان والآلة والحوسبة الصناعية، حيث يتجاوز العمر الإنتاجي المفيد للأجهزة غالبًا دورة حياة تقنيات الاتصال الفردية.

تنطبق الفكرة نفسها على أنظمة الحوسبة الطرفية. قد يجمع الجهاز الطرفي معلومات المستشعرات، أو يجري تحليلات محلية، أو ينفّذ 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.

تطرح الروبوتات مجموعة مختلفة من متطلبات الاتصال

تُعد الروبوتات والأجهزة الصناعية المستقلة مجالًا آخر قد يكون فيه نهج USB مفيدًا، رغم أن متطلبات الاتصال تختلف اختلافًا كبيرًا بين التطبيقات. ولا ينبغي نقل كل وصلة اتصال روبوتية إلى شبكة لاسلكية بعيدة المدى، لا سيما عندما يتعلق الأمر بالتحكم الحتمي أو الاتصالات المرتبطة بالسلامة.

ومع ذلك، توجد العديد من تدفقات البيانات الثانوية التي لا تتطلب من الشبكة اللاسلكية إغلاق حلقة التحكم الأساسية في الحركة. ويمكن أن تكون معلومات التشخيص وبيانات حالة المعدات وحالة الإنتاج وإدارة البرمجيات ومعلومات مستشعرات محددة مرشحة لاتصال منفصل.

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

لذلك لا يتمثل السؤال الهندسي في ما إذا كان ينبغي لشبكة Wi‑Fi HaLow أن تحل محل كل تقنيات الاتصال اللاسلكي الصناعية الحالية، بل في ما إذا كان مزيجها من المدى وشبكات IP والتشغيل منخفض الطاقة يلائم مسار اتصال محددًا أكثر من البدائل.

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

يبدو تحديد مدى بمقياس كيلومتر جذابًا، لكن المواقع الصناعية نادرًا ما تشبه بيئات الاختبار المختبرية المفتوحة. إذ يمكن للهياكل الفولاذية والآلات ورفوف التخزين وأوعية العمليات والجدران المسلحة أن تؤثر جميعًا في انتشار الترددات الراديوية، كما قد تسهم المعدات القريبة في الضوضاء والتداخل الكهربائيين.

ولهذا السبب، قد تتمثل الفائدة العملية لـ HaLow في تقليل عدد نقاط الوصول أو تحسين التغطية في المناطق الصعبة، بدلًا من تحقيق أقصى مسافة مُعلنة فحسب. وتظل دراسة الموقع واختبارات التركيب الفعلي مهمة كلما حملت الشبكة اللاسلكية بيانات مهمة تشغيليًا.

يختلف نطاق التشغيل تحت GHz أيضًا حسب المنطقة، ما يعني ضرورة مراعاة إعدادات 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.

يُبسّط الاتصال الأصلي ببروتوكول IP بنية الشبكة

من أهم خصائص Wi‑Fi HaLow للتكامل الصناعي الاتصال الأصلي ببروتوكول IP. فبعض تقنيات إنترنت الأشياء بعيدة المدى مُحسّنة عمدًا لشبكات المستشعرات منخفضة معدل البيانات، وتعتمد على البوابات للترجمة بين بروتوكول الراديو وشبكات IP القياسية.

تتبع HaLow نهجًا مختلفًا. إذ يمكن للأجهزة المشاركة مباشرةً في شبكات IP، ما قد يجعل الدمج أكثر ألفة للفرق التي تدير بالفعل البنية التحتية لشبكات Ethernet وWi-Fi.

ولا يلغي هذا الحاجة إلى البوابات 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 الذين يعملون عبر أنظمة الاتصالات والشبكات الصناعية، قد تقلل هذه الألفة من بعض أعمال دمج البرمجيات المرتبطة عادةً بإضافة تقنية راديو متخصصة طويلة المدى.

يوفر MM8108 هامشًا أكبر من مجرد اتصال المستشعرات

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

هذا لا يعني أن منشأة صناعية ستحقق باستمرار أقصى معدل PHY، ولا سيما على مسافات ممتدة. إذ يتأثر معدل نقل التطبيقات الفعلي بظروف القناة، والتضمين، والحمولة الزائدة للبروتوكول، وتصميم الشبكة.

ومع ذلك، فهو يساعد في تفسير سبب طرح Morse Micro لتصاميم USB الجديدة لتقنيات الذكاء الاصطناعي الطرفي، إلى جانب اتصال إنترنت الأشياء التقليدي. ويمكن للأنظمة الطرفية الموزعة أن تولّد معلومات أكثر بكثير من مستشعرات الحرارة أو الضغط البسيطة، خصوصًا 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. إذ يمكن لأجهزة USB أيضًا تسهيل التقييم المبكر، لأن المطورين لا يضطرون إلى الالتزام فورًا بلوحة راديو مخصصة.

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

يقلل هذا من عتبة الإجابة عن السؤال المبكر الأهم: هل تحل تقنية Wi-Fi HaLow فعلًا مشكلة الاتصال في هذا الموقع؟

إذا كانت الإجابة لا، فقد تجنّق الفريق الهندسي جهدًا كبيرًا في تطوير الأجهزة. وإذا كانت الإجابة نعم، فيمكن للقياسات التي جُمعت خلال مرحلة النموذج الأولي أن تساعد في تحديد موضع الهوائي وطوبولوجيا الشبكة وتصميم المنتجات المستقبلية.

تصميمان مرجعيان يعالجان مسارين مختلفين للترقية

والتمييز بين RD09 وRD17 أهم في نهاية المطاف من حقيقة أن كلا المنتجين يستخدم USB. يدمج RD09 تقنية HaLow كواجهة لاسلكية أصلية، وهو مناسب بصفة خاصة لأجهزة التوجيه ونقاط الوصول وأجهزة الكمبيوتر التي يكون فيها دعم برمجي مخصص عمليًا.

يجرد RD17 قدرًا أكبر من هذا التكامل من المضيف من خلال ظهوره كواجهة Ethernet قياسية من نوع CDC-NCM. وهذا يجعله مناسبًا على نحو محتمل للمعدات الصناعية والمدمجة التي يكون فيها تثبيت برامج تشغيل لاسلكية إضافية غير مرغوب فيه أو مستحيلًا.

يعالج النهجان المشكلة الأوسع نفسها: فقد صُممت قاعدة كبيرة من المعدات المركبة قبل أن تصبح Wi-Fi HaLow متاحة تجاريًا، ومن الصعب تبرير استبدال تلك المعدات لمجرد الحصول على تقنية راديوية أخرى.

الفرصة الأكبر هي الاتصال من دون إعادة تصميم الآلة

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

وقد يكون ذلك مفيدًا لأجهزة الكمبيوتر الصناعية والروبوتات والأجهزة الطرفية والبنية التحتية للشبكات الموزعة عبر منشآت كبيرة، حيث يصعب توسيع تغطية Wi-Fi التقليدية أو يكون مكلفًا. ويكتسب RD17 أهمية خاصة لأن تقديمه عبر Ethernet قياسي يقلل الاعتماد على برامج تشغيل لاسلكية خاصة بالمضيف، ويزيل عقبة شائعة في الأنظمة القديمة والمدمجة.

لن تحل Wi-Fi HaLow محل كل شبكة صناعية، ولا ينبغي التعامل مع الاتصال اللاسلكي بعيد المدى على أنه بديل للبنية التحتية للتحكم الحتمي. وقد 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 IP أصلي عبر مساحة مادية أكبر.

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