Společnost Morse Micro představila dva referenční návrhy USB hardwarových klíčů Wi-Fi HaLow, jejichž cílem je usnadnit přidání bezdrátového připojení s dlouhým dosahem k zařízením, která nebyla původně navržena s integrovaným hardwarem Wi-Fi HaLow.

Návrhy MM8108-RD09 a MM8108-RD17, založené na systému v čipu MM8108 této společnosti, využívají USB jako spojovací bod mezi Wi-Fi HaLow a stávající hostitelskou platformou. Pro průmyslové uživatele je tento přístup významný, protože vytváří možnou cestu modernizace počítačů, robotů a edge zařízení bez nutnosti, aby výrobci přepracovávali základní desku hostitele kvůli samostatnému rádiovému modulu HaLow.

Obrázek 1. Referenční návrhy USB společnosti Morse Micro s označením MM8108 nabízejí dva různé přístupy k přidání konektivity Wi-Fi HaLow ke stávajícím zařízením.

Jak USB mění problém integrace

O technologii Wi-Fi HaLow se dosud obvykle hovořilo v souvislosti s novými zařízeními IoT, u nichž lze rádiový modul navrhnout přímo do produktu od samého začátku. Průmyslová prostředí jsou odlišná. V provozu již mohou být počítače, mobilní zařízení, roboty nebo vestavěné řídicí jednotky, kterým zbývají roky užitečné služby, přestože těmto platformám chybí bezdrátová technologie potřebná pro novou aplikaci.

Kompletní výměna hostitelské platformy pouze za účelem získání jiného bezdrátového rozhraní je málokdy atraktivní. Přepracování elektroniky kolem nového rádiového modulu může být stejně náročné, protože přináší požadavky na RF návrh, firmware, certifikaci a mechanické provedení. Implementace přes USB přesouvá velkou část této složitosti do externího referenčního návrhu a ponechává stávající architekturu hostitele z velké části nedotčenou.

To neznamená, že integrace bude v každé aplikaci zcela plug-and-play, mění se však výchozí bod vývoje. Namísto otázky, jak přepracovat průmyslový počítač pro Wi-Fi HaLow, se vývojáři mohou nejprve ptát, zda stávající rozhraní USB dokáže zajistit požadované připojení.

Wi-Fi HaLow cílí na jiný segment bezdrátových technologií

Wi-Fi HaLow vychází ze standardu IEEE 802.11ah a pracuje v subgigahertzovém spektru namísto pásem 2,4 GHz, 5 GHz a 6 GHz spojovaných s běžnou Wi-Fi. Nižší provozní frekvence má aplikacím IoT zajistit delší dosah a lepší vlastnosti šíření signálu při zachování nativního IP síťování.

Společnost Morse Micro uvádí, že její implementace technologie HaLow mohou zajistit síťové připojení na vzdálenost přibližně jednoho kilometru, skutečný průmyslový dosah však vždy závisí na regionálních pravidlech pro využití frekvencí, anténách, vysílacím výkonu, překážkách, rušení a fyzickém prostředí.

Díky tomu je tato technologie zajímavá pro místa, kde je zajištění pokrytí běžnou Wi-Fi obtížné nebo vyžaduje rozsáhlou infrastrukturu. Sklady, venkovní výrobní areály, logistické plochy, zemědělské provozy a distribuovaná průmyslová zařízení mohou zahrnovat vzdálenosti, které se obtížně pokrývají běžnými předpoklady pro vnitřní bezdrátové sítě.

Přitažlivost nespočívá pouze v maximálním dosahu. Wi-Fi HaLow je také navrženo pro provoz IoT zařízení s nižší spotřebou energie a současně zachovává známé síťování založené na IP. To může omezit potřebu převodu protokolů mezi bezdrátovým připojením a běžnou ethernetovou nebo IP infrastrukturou.

RD09 rozšiřuje Wi-Fi HaLow do stávající síťové infrastruktury

MM8108-RD09 je navržen pro provoz v režimu přístupového bodu i stanice. Společnost Morse Micro poskytuje podporu OpenWrt, která umožňuje kompatibilní routery a přístupové body s připojením USB rozšířit o podporu Wi-Fi HaLow.

Díky tomu je RD09 obzvláště relevantní pro vývojáře infrastruktury a systémové integrátory. Stávající platforma routeru již může poskytovat směrování přes Ethernet, funkce firewallu, správu a další síťové funkce, zatímco referenční návrh USB přidává rádiovou vrstvu HaLow.

Stejný návrh může podporovat také klientská zařízení. Společnost Morse Micro uvádí nativní podporu ovladačů pro Windows a Linux spolu s aplikací pro macOS, takže se běžné počítače mohou prostřednictvím zařízení USB připojit k sítím Wi-Fi HaLow.

Z hlediska průmyslové integrace jde o poměrně známou architekturu: operační systém rozumí bezdrátovému adaptéru prostřednictvím specializovaného softwaru a hostitelský systém může se sítí HaLow komunikovat jako se síťovým rozhraním.

RD17 volí pro průmyslová zařízení zajímavější cestu

MM8108-RD17 řeší jiný problém. Namísto toho, aby hostitelský systém musel rozumět vyhrazenému adaptéru Wi-Fi HaLow a příslušnému ovladači, dongle se prezentuje jako standardní ethernetové rozhraní CDC-NCM.

Pro hostitelský systém tedy připojení vypadá mnohem více jako běžné síťové rozhraní. Společnost Morse Micro označuje RD17 za zařízení bez ovladačů, protože zařízení podporující standardní rozhraní CDC-NCM nepotřebují mít v hostitelském systému nainstalovaný vyhrazený ovladač Wi-Fi HaLow od společnosti Morse Micro.

Toto rozlišení je důležité v průmyslových systémech, kde mohou být softwarová prostředí přísně kontrolována. Průmyslový počítač může používat ověřený obraz operačního systému, který obsluha nechce měnit. Řídicí jednotka robotu nebo vestavěná platforma může také podporovat USB, ale nabízet jen malou flexibilitu pro přidávání ovladačů jádra třetích stran.

Přesunutím větší části implementace specifické pro HaLow mimo hostitele může RD17 potenciálně rozšířit okruh zařízení, která mohou tuto bezdrátovou technologii používat. Společnost Morse Micro mezi cílové aplikace výslovně řadí průmyslové počítače a robotiku spolu s pokladními terminály a zařízeními se systémy Android nebo iOS.

Bez ovladačů neznamená bez konfigurace

Pojem „bez ovladačů“ může snadno vyvolat dojem, že není nutná žádná integrační práce. Ve skutečnosti je podstatou užší tvrzení: hostitel nepotřebuje specializovaný ovladač Wi-Fi HaLow, pokud již podporuje standardní ethernetové rozhraní CDC-NCM.

Je stále třeba zohlednit konfiguraci sítě, autentizaci, adresaci a komunikaci na aplikační úrovni. Průmysloví inženýři musí také vyhodnotit, jak nová bezdrátová cesta interaguje se stávající segmentací sítě, zásadami kybernetické bezpečnosti a postupy správy zařízení.

RD17 podporuje Wi-Fi Easy Connect, známé také jako Device Provisioning Protocol, a je vybaven párovacím tlačítkem pro autentizaci zařízení. To může zjednodušit zavádění ve srovnání s ručním nastavováním bezdrátových přihlašovacích údajů prostřednictvím aplikace specifické pro hostitele.

Pro organizace spravující mnoho distribuovaných zařízení je zavádění často stejně důležité jako výkon rádiového spojení. Technicky schopné bezdrátové připojení se při provozu ve velkém měřítku stává obtížně spravovatelným, pokud každý koncový bod vyžaduje jiný postup zprovisionování.

Stávající průmyslové počítače jsou zřejmým případem použití

Průmyslové počítače často zůstávají v provozu mnohem déle než spotřební výpočetní technika. Jejich procesory, I/O rozhraní a software mohou nadále splňovat požadavky aplikace, i když původní síťové možnosti už neodpovídají nové architektuře závodu.

Rozhraní HaLow založené na USB představuje jednu z možných cest, jak tyto systémy rozšířit bez výměny počítače. Průmyslový počítač používaný například ke sledování vzdálených zařízení by se mohl potenciálně připojit přes HaLow a přitom zachovat stávající software i aplikační zásobník založený na Ethernetu.

To je obzvlášť relevantní pro platformy HMI a průmyslového computingu, u nichž užitečná životnost hardwaru často přesahuje životní cyklus jednotlivých komunikačních technologií.

Stejná myšlenka platí i pro systémy edge computingu. Zařízení na okraji sítě může shromažďovat údaje ze senzorů, provádět lokální analýzu nebo v blízkosti procesu spouštět inferenci strojového učení. Pokud jeho stávající síťové připojení nedokáže ekonomicky pokrýt požadovanou vzdálenost, může být přidání dalšího rádiového rozhraní snazší než přepracování celé platformy edge computingu.

Robotika přináší odlišný soubor požadavků na konektivitu

Roboti a autonomní průmyslová zařízení představují další oblast, kde by přístup USB mohl být užitečný, ačkoli požadavky na konektivitu se mezi aplikacemi výrazně liší. Ne každé komunikační spojení robota by mělo být převedeno na bezdrátovou síť s dlouhým dosahem, zejména pokud se týká deterministického řízení nebo bezpečnostní komunikace.

Existuje však mnoho sekundárních datových toků, které nevyžadují, aby bezdrátová síť uzavírala primární regulační smyčku pohybu. Samostatná konektivita může být vhodná pro diagnostické informace, údaje o stavu zařízení, stav výroby, správu softwaru a vybrané informace ze senzorů.

Mobilní robot pohybující se po rozsáhlém areálu se také může dostat mimo praktickou oblast pokrytí jediného konvenčního přístupového bodu. Rozšíření konektivity prostřednictvím bezdrátové technologie v pásmu pod 1 GHz by mohlo v závislosti na uspořádání areálu a požadavcích na výkon zmírnit některé problémy s pokrytím.

Technická otázka proto nezní, zda by Wi‑Fi HaLow mělo nahradit všechny stávající průmyslové bezdrátové technologie. Jde o to, zda jeho kombinace dosahu, IP síťování a nižší spotřeby energie vyhovuje konkrétní komunikační cestě lépe než alternativy.

Dlouhý dosah může omezit infrastrukturu, plánování RF je však stále důležité

Specifikace dosahu v řádu kilometrů je atraktivní, průmyslové areály se však jen zřídka podobají otevřeným laboratorním testovacím prostředím. Ocelové konstrukce, stroje, skladové regály, procesní nádoby a železobetonové stěny mohou ovlivňovat šíření RF signálu, zatímco okolní zařízení mohou přispívat k elektrickému šumu a rušení.

Praktickým přínosem HaLow proto může být menší počet přístupových bodů nebo lepší pokrytí v obtížně přístupných oblastech, nikoli pouhé dosažení maximální deklarované vzdálenosti. Pokud má bezdrátová síť přenášet provozně důležitá data, zůstávají nezbytné průzkum daného místa a testování skutečné instalace.

Provozní pásmo pod 1 GHz se také liší podle regionu, což znamená, že při mezinárodním nasazení zařízení je třeba zohlednit konfiguraci produktu a regulační požadavky. Průmysloví výrobci OEM plánující jednu platformu pro několik trhů nemohou předpokládat všude stejné rádiové parametry.

Nativní IP zjednodušuje síťovou architekturu

Jednou z důležitějších vlastností Wi‑Fi HaLow pro průmyslovou integraci je nativní IP konektivita. Některé IoT technologie s dlouhým dosahem jsou záměrně optimalizovány pro senzorové sítě s nízkou datovou propustností a spoléhají na brány, které převádějí mezi rádiovým protokolem a standardními IP sítěmi.

HaLow používá odlišný přístup. Zařízení se mohou přímo účastnit IP sítí, což může usnadnit integraci týmům, které již spravují ethernetovou a Wi-Fi infrastrukturu.

To neodstraňuje potřebu bran, firewallů ani směrování tam, kde je architektura vyžaduje. Znamená to pouze, že překlad protokolů nemusí být základní součástí každého připojení.

Pro inženýry pracující se systémy průmyslové komunikace a síťových technologií může tato znalost snížit část práce se softwarovou integrací, která je obvykle spojena s přidáním specializované rádiové technologie s dlouhým dosahem.

MM8108 poskytuje větší rezervu než jednoduchá konektivita senzorů

MM8108 je SoC druhé generace s technologií Wi-Fi HaLow od společnosti Morse Micro. Společnost uvádí fyzické přenosové rychlosti dosahující za podporovaných provozních podmínek přibližně 43,3 Mb/s, což toto zařízení řadí výrazně nad požadavky na propustnost mnoha základních telemetrických aplikací.

To neznamená, že průmyslová instalace bude trvale dosahovat maximální fyzické přenosové rychlosti, zejména na delší vzdálenost. Skutečnou propustnost aplikace ovlivňují podmínky kanálu, modulace, režie protokolu a návrh sítě.

Pomáhá to však vysvětlit, proč společnost Morse Micro nabízí nové návrhy USB pro edge AI i konvenční konektivitu IoT. Distribuované edge systémy mohou generovat podstatně více informací než jednoduché teplotní či tlakové senzory, zejména pokud aplikace zahrnují diagnostiku strojů, obrazová data nebo rozsáhlejší provozní datasety.

USB může také urychlit prototypování

Hodnota referenčního návrhu se neomezuje na dodatečnou montáž do sériově vyráběných zařízení. Hardware USB může také usnadnit rané vyhodnocení, protože vývojáři se nemusí okamžitě zavázat k vlastní rádiové desce.

Systémový integrátor může pomocí stávajícího hostitelského zařízení otestovat pokrytí, propustnost a chování aplikace, než rozhodne, zda má pozdější sériový návrh zachovat implementaci přes USB, nebo MM8108 integrovat přímoji.

Tím se snižuje překážka při zodpovídání nejdůležitější rané otázky: řeší Wi-Fi HaLow skutečně problém s konektivitou na tomto místě?

Pokud je odpověď záporná, vývojový tým se vyhnul značnému úsilí spojenému s vývojem hardwaru. Pokud je kladná, měření shromážděná během fáze prototypu mohou posloužit k určení umístění antén, topologie sítě a budoucího návrhu produktu.

Dva referenční návrhy řeší dvě různé cesty modernizace

Rozdíl mezi RD09 a RD17 je nakonec důležitější než skutečnost, že oba produkty používají USB. RD09 integruje HaLow jako nativní bezdrátové rozhraní a hodí se zejména pro routery, přístupové body a počítače, kde je praktická specializovaná softwarová podpora.

RD17 abstrahuje větší část této integrace od hostitelského systému tím, že se prezentuje jako standardní ethernetové rozhraní CDC-NCM. Díky tomu může být vhodnější pro průmyslová a vestavěná zařízení, kde je instalace dalších bezdrátových ovladačů nežádoucí nebo nemožná.

Oba přístupy řeší tentýž širší problém: velká instalovaná základna zařízení byla navržena ještě před komerční dostupností Wi-Fi HaLow a výměnu těchto zařízení pouze kvůli získání další rádiové technologie je obtížné odůvodnit.

Větší příležitost představuje konektivita bez přepracování stroje

Průmyslový význam nových referenčních návrhů společnosti Morse Micro proto nespočívá ani tak v samotném konektoru USB, jako spíše v tom, čemu se díky tomuto konektoru lze vyhnout. Stávající zařízení mohou získat přístup k dálkovým sítím v pásmu pod 1 GHz bez kompletního přepracování hostitelského systému, zatímco vývojáři mohou HaLow vyhodnocovat na hardwarových platformách, které již znají.

To by mohlo být užitečné pro průmyslové počítače, roboty, edge zařízení a síťovou infrastrukturu rozmístěné ve velkých provozech, kde je obtížné nebo nákladné rozšiřovat pokrytí konvenční Wi-Fi. RD17 je obzvláště pozoruhodný tím, že jeho standardní ethernetové rozhraní snižuje závislost na bezdrátových ovladačích specifických pro hostitelský systém a odstraňuje jednu z běžných překážek ve starších a vestavěných systémech.

Wi-Fi HaLow nenahradí každou průmyslovou síť a dálkové bezdrátové připojení by nemělo být považováno za náhradu deterministické řídicí infrastruktury. Jeho nejvýznamnější úlohou může být spíše vyplnění prostoru mezi konvenční Wi-Fi s krátkým dosahem a specializovanými IoT sítěmi s nízkou datovou propustností, zejména tam, kde zařízení potřebují nativní IP konektivitu na větší fyzické ploše.

Pro průmyslové inženýry nové návrhy USB usnadňují testování této možnosti. Namísto zahájení projektu s novou základní deskou, rádiovým modulem a softwarovou integrací může nyní první experiment začít u dostupného portu USB.