Morse Micro دو طراحی مرجع دانگل USB برای Wi‑Fi HaLow معرفی کرده است که با هدف آسان‌تر کردن افزودن اتصال بی‌سیم دوربرد به تجهیزاتی ارائه شده‌اند که از ابتدا با سخت‌افزار Wi‑Fi HaLow داخلی طراحی نشده بودند.

مدل‌های MM8108-RD09 و MM8108-RD17 که بر پایه سیستم‌روی‌تراشه MM8108 این شرکت ساخته شده‌اند، هر دو از USB به‌عنوان نقطه اتصال میان Wi‑Fi HaLow و یک پلتفرم میزبان موجود استفاده می‌کنند. این رویکرد برای کاربران صنعتی اهمیت دارد، زیرا مسیری احتمالی برای ارتقای رایانه‌ها، ربات‌ها و دستگاه‌های لبه ایجاد می‌کند، بدون آن‌که تولیدکنندگان مجبور باشند مادربرد میزبان را حول یک رادیوی اختصاصی HaLow بازطراحی کنند.

شکل ۱. طراحی‌های مرجع USB مدل MM8108 شرکت Morse Micro دو رویکرد متفاوت برای افزودن اتصال Wi‑Fi HaLow به دستگاه‌های موجود ارائه می‌کنند.

چرا USB مسئله یکپارچه‌سازی را تغییر می‌دهد

Wi‑Fi HaLow معمولاً در زمینه تجهیزات جدید اینترنت اشیا مطرح شده است؛ جایی که رادیو می‌تواند از ابتدا در محصول طراحی شود. محیط‌های صنعتی متفاوت‌اند. ممکن است یک کارخانه از قبل رایانه‌ها، تجهیزات متحرک، ربات‌ها یا کنترلرهای نهفته‌ای داشته باشد که هنوز سال‌ها عمر مفید دارند، اما این پلتفرم‌ها فاقد فناوری بی‌سیمی باشند که برای یک کاربرد جدید لازم است.

تعویض کامل پلتفرم میزبان صرفاً برای دستیابی به یک رابط بی‌سیم دیگر، به‌ندرت جذاب است. بازطراحی الکترونیک حول یک رادیوی جدید نیز می‌تواند به همان اندازه دشوار باشد، زیرا ملاحظات مهندسی RF، میان‌افزار، گواهی‌نامه‌ها و طراحی مکانیکی را وارد پروژه می‌کند. پیاده‌سازی USB بخش زیادی از این پیچیدگی را به یک طراحی مرجع خارجی منتقل می‌کند و معماری موجود میزبان را تا حد زیادی دست‌نخورده باقی می‌گذارد.

این موضوع یکپارچه‌سازی را در همه کاربردها کاملاً به فرایندی اتصال‌دادنی و آماده تبدیل نمی‌کند، اما نقطه شروع مهندسی را تغییر می‌دهد. توسعه‌دهندگان به‌جای پرسیدن این‌که چگونه یک رایانه صنعتی را برای Wi‑Fi HaLow بازطراحی کنند، می‌توانند ابتدا بررسی کنند که آیا یک رابط USB موجود می‌تواند اتصال موردنیاز را فراهم کند یا نه.

Wi‑Fi HaLow فضای بی‌سیم متفاوتی را هدف می‌گیرد

Wi‑Fi HaLow بر پایه استاندارد IEEE 802.11ah است و به‌جای باندهای ۲٫۴، ۵ و ۶ گیگاهرتزِ مورد استفاده در Wi‑Fi رایج، در طیف زیر گیگاهرتز کار می‌کند. هدف از فرکانس کاری پایین‌تر، فراهم‌کردن برد بیشتر و ویژگی‌های انتشار بهتر برای کاربردهای اینترنت اشیا، همراه با حفظ شبکه‌سازی بومی مبتنی بر IP است.

مورْس میکرو می‌گوید پیاده‌سازی‌های HaLow این شرکت می‌توانند در فواصل حدوداً یک کیلومتری اتصال شبکه فراهم کنند؛ هرچند برد واقعی در محیط‌های صنعتی همواره به مقررات فرکانسی منطقه، آنتن‌ها، توان ارسال، موانع، تداخل و شرایط فیزیکی محیط بستگی خواهد داشت.

این ویژگی، فناوری را برای مکان‌هایی جذاب می‌کند که پوشش Wi-Fi متعارف در آن‌ها دشوار یا نیازمند زیرساخت گسترده می‌شود. انبارها، محوطه‌های فرایندی روباز، محوطه‌های لجستیکی، تأسیسات کشاورزی و دارایی‌های صنعتی پراکنده، همگی ممکن است فاصله‌هایی داشته باشند که پوشش‌دهی آن‌ها با فرضیات معمول شبکه‌های بی‌سیم داخلی دشوار است.

مزیت این فناوری فقط در بیشینه برد آن خلاصه نمی‌شود. Wi-Fi HaLow همچنین برای عملکرد کم‌مصرف اینترنت اشیا طراحی شده و در عین حال شبکه‌سازی آشنای مبتنی بر IP را حفظ می‌کند. این امر می‌تواند نیاز به ترجمه پروتکل میان پیوند بی‌سیم و زیرساخت متعارف اترنت یا IP را کاهش دهد.

RD09، Wi-Fi HaLow را به زیرساخت شبکه موجود گسترش می‌دهد

MM8108-RD09 برای کار در هر دو کاربرد نقطه دسترسی و ایستگاه طراحی شده است. Morse Micro پشتیبانی از OpenWrt را ارائه می‌دهد تا روترها و نقاط دسترسی سازگارِ دارای اتصال USB بتوانند به قابلیت Wi-Fi HaLow مجهز شوند.

این ویژگی، RD09 را برای توسعه‌دهندگان زیرساخت و یکپارچه‌سازان سامانه بسیار مرتبط می‌کند. یک پلتفرم روتر موجود ممکن است از قبل مسیریابی اترنت، فایروال، مدیریت و دیگر قابلیت‌های شبکه را ارائه دهد، در حالی که طراحی مرجع USB، لایه رادیویی HaLow را اضافه می‌کند.

همین طراحی می‌تواند از دستگاه‌های کلاینت نیز پشتیبانی کند. Morse Micro پشتیبانی بومی از درایورهای ویندوز و لینوکس را همراه با یک برنامه macOS ارائه می‌دهد و به رایانه‌های متعارف اجازه می‌دهد از طریق دستگاه USB به شبکه‌های Wi-Fi HaLow متصل شوند.

از دیدگاه یکپارچه‌سازی صنعتی، این معماری نسبتاً آشناست: سیستم‌عامل آداپتور بی‌سیم را از طریق نرم‌افزار اختصاصی می‌شناسد و میزبان می‌تواند با شبکه HaLow مانند یک رابط شبکه تعامل کند.

RD17 مسیر جالب‌تری را برای تجهیزات صنعتی در پیش می‌گیرد

MM8108-RD17 به مشکلی متفاوت می‌پردازد. دانگل به‌جای آنکه از میزبان بخواهد یک آداپتور اختصاصی Wi-Fi HaLow و درایور مربوط به آن را بشناسد، خود را به‌عنوان یک رابط استاندارد اترنت CDC-NCM معرفی می‌کند.

بنابراین، از دید میزبان، این اتصال بسیار بیشتر شبیه یک رابط شبکه متعارف است. Morse Micro، مدل RD17 را بدون نیاز به درایور معرفی می‌کند، زیرا دستگاه‌هایی که از رابط استاندارد CDC-NCM پشتیبانی می‌کنند، نیازی به نصب درایور اختصاصی Wi-Fi HaLow شرکت Morse Micro روی میزبان ندارند.

این تمایز در سامانه‌های صنعتی اهمیت دارد؛ جایی که محیط‌های نرم‌افزاری می‌توانند به‌شدت کنترل‌شده باشند. یک رایانه صنعتی ممکن است یک ایمیج عملیاتی اعتبارسنجی‌شده را اجرا کند که اپراتورها نمی‌خواهند آن را تغییر دهند. کنترلر ربات یا پلتفرم تعبیه‌شده نیز ممکن است از USB پشتیبانی کند، اما انعطاف‌پذیری کمی برای افزودن درایورهای کرنل شخص ثالث داشته باشد.

RD17 با انتقال بخش بیشتری از پیاده‌سازی اختصاصی HaLow به خارج از میزبان، به‌طور بالقوه دامنه تجهیزاتی را که می‌توانند از این فناوری بی‌سیم استفاده کنند، گسترش می‌دهد. Morse Micro به‌طور مشخص رایانه‌های صنعتی و رباتیک را در میان کاربردهای هدف خود، در کنار پایانه‌های فروش و دستگاه‌های Android یا iOS، معرفی می‌کند.

بدون درایور به معنای بدون نیاز به پیکربندی نیست

اصطلاح «بدون درایور» به‌راحتی این تصور را ایجاد می‌کند که هیچ کار یکپارچه‌سازی لازم نیست. در عمل، نکته اصلی محدودتر است: اگر میزبان از رابط استاندارد اترنت CDC-NCM پشتیبانی کند، به درایور اختصاصی Wi-Fi HaLow نیاز ندارد.

پیکربندی شبکه، احراز هویت، آدرس‌دهی و ارتباط در سطح برنامه همچنان باید در نظر گرفته شوند. مهندسان صنعتی همچنین باید ارزیابی کنند که مسیر بی‌سیم جدید چگونه با بخش‌بندی شبکه موجود، سیاست‌های امنیت سایبری و شیوه‌های مدیریت دستگاه تعامل دارد.

RD17 از Wi-Fi Easy Connect، که با نام Device Provisioning Protocol نیز شناخته می‌شود، پشتیبانی می‌کند و برای احراز هویت دستگاه یک دکمه جفت‌سازی دارد. این قابلیت می‌تواند در مقایسه با تأمین دستی اطلاعات کاربری بی‌سیم از طریق یک برنامه مخصوص میزبان، فرایند راه‌اندازی را ساده‌تر کند.

برای سازمان‌هایی که دستگاه‌های توزیع‌شده بسیاری را مدیریت می‌کنند، راه‌اندازی و افزودن دستگاه‌ها اغلب به‌اندازه عملکرد رادیویی اهمیت دارد. اگر هر نقطه پایانی به فرایند تأمین متفاوتی نیاز داشته باشد، یک پیوند بی‌سیم از نظر فنی توانمند در مقیاس بزرگ به‌سختی قابل بهره‌برداری خواهد بود.

رایانه‌های صنعتی موجود، یک موردکاربرد بدیهی هستند

رایانه‌های صنعتی اغلب بسیار طولانی‌تر از تجهیزات رایانشی مصرفی در خدمت باقی می‌مانند. پردازنده‌ها، رابط‌های ورودی/خروجی و نرم‌افزار آن‌ها ممکن است حتی زمانی که گزینه‌های شبکه اصلی دیگر با معماری جدید کارخانه سازگار نیستند، همچنان نیازمندی‌های کاربرد را برآورده کنند.

یک رابط HaLow مبتنی بر USB می‌تواند راهی برای گسترش این سامانه‌ها بدون تعویض رایانه فراهم کند. برای مثال، یک رایانه صنعتی که برای پایش تجهیزات دوردست استفاده می‌شود، می‌تواند به‌طور بالقوه از طریق HaLow متصل شود و در عین حال نرم‌افزار موجود و پشته کاربردی مبتنی بر اترنت خود را حفظ کند.

این موضوع به‌ویژه برای پلتفرم‌های HMI و رایانش صنعتی اهمیت دارد؛ زیرا عمر مفید سخت‌افزار اغلب از چرخه عمر فناوری‌های ارتباطی منفرد بیشتر است.

همین ایده درباره سامانه‌های رایانش لبه‌ای نیز صدق می‌کند. یک دستگاه لبه‌ای ممکن است اطلاعات حسگرها را جمع‌آوری کند، تحلیل‌های محلی انجام دهد یا استنتاج یادگیری ماشین را در نزدیکی فرایند اجرا کند. اگر اتصال شبکه موجود نتواند فاصله موردنیاز را با هزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه پوشش دهد، افزودن یک رابط رادیویی دیگر می‌تواند آسان‌تر از بازطراحی کل پلتفرم لبه‌ای باشد.

رباتیک مجموعه متفاوتی از الزامات اتصال را مطرح می‌کند

ربات‌ها و دستگاه‌های صنعتی خودکار حوزه دیگری هستند که رویکرد USB می‌تواند در آن مفید باشد، هرچند الزامات اتصال بین کاربردها تفاوت زیادی دارد. هر لینک ارتباطی ربات نباید به شبکه بی‌سیم بردبلند منتقل شود، به‌ویژه در مواردی که کنترل قطعی یا ارتباطات مرتبط با ایمنی مطرح است.

بااین‌حال، بسیاری از جریان‌های داده ثانویه نیازی ندارند که شبکه بی‌سیم حلقه اصلی کنترل حرکت را ببندد. اطلاعات تشخیصی، داده‌های سلامت تجهیزات، وضعیت تولید، مدیریت نرم‌افزار و برخی اطلاعات حسگرها همگی می‌توانند گزینه‌هایی برای اتصال جداگانه باشند.

ربات متحرکی که در یک تأسیسات بزرگ فعالیت می‌کند نیز ممکن است از محدوده پوشش عملی یک نقطه دسترسی متعارف فراتر برود. گسترش اتصال از طریق ارتباط بی‌سیم زیر گیگاهرتز، بسته به چیدمان محل و الزامات عملکردی، می‌تواند برخی چالش‌های پوشش را کاهش دهد.

بنابراین پرسش مهندسی این نیست که آیا Wi-Fi HaLow باید جایگزین تمام فناوری‌های بی‌سیم صنعتی موجود شود یا نه؛ پرسش این است که آیا ترکیب برد، شبکه‌سازی IP و عملکرد کم‌مصرف آن برای یک مسیر ارتباطی مشخص، بهتر از گزینه‌های دیگر است یا خیر.

برد بلند می‌تواند زیرساخت را کاهش دهد، اما برنامه‌ریزی RF همچنان اهمیت دارد

مشخصات برد در مقیاس کیلومتر جذاب است، اما محیط‌های صنعتی به‌ندرت شبیه محیط‌های آزمایشگاهی باز هستند. سازه‌های فولادی، ماشین‌آلات، قفسه‌های انبار، مخازن فرایندی و دیوارهای مسلح همگی می‌توانند بر انتشار امواج RF اثر بگذارند؛ همچنین تجهیزات مجاور ممکن است نویز الکتریکی و تداخل ایجاد کنند.

به همین دلیل، مزیت عملی HaLow ممکن است کاهش تعداد نقاط دسترسی یا پوشش بهتر در مناطق دشوار باشد، نه صرفاً دستیابی به بیشترین فاصله اعلام‌شده. هر زمان شبکه بی‌سیم قرار است داده‌های مهم عملیاتی را منتقل کند، بررسی محل و آزمایش در نصب واقعی همچنان اهمیت دارند.

باند فرکانسی زیر گیگاهرتز نیز در مناطق مختلف متفاوت است؛ بنابراین هنگام استقرار تجهیزات در سطح بین‌المللی، پیکربندی محصول و الزامات مقرراتی باید در نظر گرفته شوند. تولیدکنندگان صنعتی OEM که برای چند بازار یک پلتفرم طراحی می‌کنند، نمی‌توانند فرض کنند پارامترهای رادیویی در همه‌جا یکسان هستند.

IP بومی معماری شبکه را ساده می‌کند

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های Wi-Fi HaLow برای یکپارچه‌سازی صنعتی، اتصال بومی IP است. برخی فناوری‌های اینترنت اشیای بردبلند عمداً برای شبکه‌های حسگر با نرخ داده پایین بهینه شده‌اند و برای ترجمه بین پروتکل رادیویی و شبکه‌های استاندارد IP به دروازه‌ها متکی هستند.

HaLow رویکرد متفاوتی دارد. دستگاه‌ها می‌توانند مستقیماً در شبکه‌های مبتنی بر IP مشارکت کنند؛ این امر می‌تواند یکپارچه‌سازی را برای تیم‌هایی که پیش‌تر زیرساخت‌های اترنت و وای‌فای را مدیریت می‌کرده‌اند، آشناتر کند.

این موضوع نیاز به دروازه‌ها، فایروال‌ها یا مسیریابی را در معماری‌هایی که به آن‌ها نیاز دارند از بین نمی‌برد. فقط به این معناست که ترجمه پروتکل لازم نیست بخش بنیادی هر اتصال باشد.

برای مهندسانی که با سیستم‌های ارتباطات و شبکه‌سازی صنعتی کار می‌کنند، این آشنایی می‌تواند بخشی از کار یکپارچه‌سازی نرم‌افزار را که معمولاً با افزودن یک فناوری رادیویی تخصصی و دوربرد همراه است، کاهش دهد.

MM8108 ظرفیت بیشتری از اتصال ساده حسگرها فراهم می‌کند

MM8108 دومین نسل SoC وای‌فای HaLow شرکت Morse Micro است. این شرکت نرخ داده PHY را در شرایط عملیاتی پشتیبانی‌شده، حدود 43.3 مگابیت‌برثانیه اعلام می‌کند؛ رقمی که این دستگاه را بسیار بالاتر از نیاز توان عملیاتی بسیاری از برنامه‌های پایه تله‌متری قرار می‌دهد.

این بدان معنا نیست که یک نصب صنعتی، به‌ویژه در بردهای طولانی، به‌طور پیوسته به حداکثر نرخ PHY دست خواهد یافت. توان عملیاتی واقعی برنامه تحت تأثیر شرایط کانال، مدولاسیون، سربار پروتکل و طراحی شبکه قرار دارد.

بااین‌حال، این موضوع توضیح می‌دهد که چرا Morse Micro طراحی‌های جدید USB را علاوه بر اتصال متداول اینترنت اشیا، برای هوش مصنوعی لبه‌ای نیز عرضه می‌کند. سیستم‌های لبه‌ای توزیع‌شده می‌توانند اطلاعات بسیار بیشتری نسبت به حسگرهای ساده دما یا فشار تولید کنند، به‌ویژه هنگامی که برنامه‌ها شامل عیب‌یابی ماشین‌آلات، تصاویر یا مجموعه‌داده‌های عملیاتی غنی‌تری باشند.

USB می‌تواند نمونه‌سازی را نیز سرعت ببخشد

ارزش یک طراحی مرجع فقط به تجهیز مجدد تجهیزات تولیدی محدود نمی‌شود. سخت‌افزار USB همچنین می‌تواند ارزیابی اولیه را آسان‌تر کند، زیرا توسعه‌دهندگان مجبور نیستند بلافاصله به یک برد رادیویی سفارشی متعهد شوند.

یک یکپارچه‌ساز سیستم می‌تواند پیش از تصمیم‌گیری درباره اینکه طراحی تولیدی نهایی باید پیاده‌سازی USB را حفظ کند یا MM8108 را به‌صورت مستقیم‌تری یکپارچه سازد، پوشش‌دهی، توان عملیاتی و رفتار برنامه را با استفاده از یک میزبان موجود آزمایش کند.

این کار مانع پاسخ‌دادن به مهم‌ترین پرسش اولیه را کاهش می‌دهد: آیا Wi-Fi HaLow واقعاً مشکل اتصال را در این محل حل می‌کند؟

اگر پاسخ منفی باشد، تیم مهندسی از صرف زمان و منابع قابل‌توجه برای توسعه سخت‌افزار اجتناب کرده است. اگر پاسخ مثبت باشد، اندازه‌گیری‌های جمع‌آوری‌شده در مرحله نمونه‌سازی می‌توانند در تعیین محل آنتن، توپولوژی شبکه و طراحی محصولات آینده مؤثر باشند.

دو طراحی مرجع برای دو مسیر ارتقای متفاوت

تفاوت میان RD09 و RD17 در نهایت مهم‌تر از این واقعیت است که هر دو محصول از USB استفاده می‌کنند. RD09، HaLow را به‌عنوان یک رابط بی‌سیم بومی یکپارچه می‌کند و به‌ویژه برای روترها، نقاط دسترسی و رایانه‌هایی مناسب است که پشتیبانی نرم‌افزاری اختصاصی در آن‌ها عملی است.

RD17 بخش بیشتری از این یکپارچه‌سازی را از میزبان جدا می‌کند و به‌صورت یک رابط اترنت استاندارد CDC-NCM ظاهر می‌شود. این ویژگی می‌تواند آن را برای تجهیزات صنعتی و نهفته مناسب‌تر کند؛ تجهیزاتی که نصب درایورهای بی‌سیم اضافی در آن‌ها نامطلوب یا غیرممکن است.

هر دو رویکرد به یک مشکل گسترده‌تر می‌پردازند: بخش بزرگی از تجهیزات نصب‌شده پیش از عرضه تجاری Wi-Fi HaLow طراحی شده‌اند و تعویض این تجهیزات صرفاً برای دستیابی به فناوری رادیویی دیگر، به‌سختی توجیه‌پذیر است.

فرصت بزرگ‌تر: اتصال بدون بازطراحی ماشین

بنابراین اهمیت صنعتی طراحی‌های مرجع جدید Morse Micro کمتر به خود رابط USB مربوط می‌شود و بیشتر به چیزی مربوط است که این رابط از آن جلوگیری می‌کند. تجهیزات موجود می‌توانند بدون بازطراحی کامل میزبان به شبکه‌سازی زیر ۱ گیگاهرتزِ بردبلند دسترسی پیدا کنند و توسعه‌دهندگان نیز می‌توانند HaLow را با استفاده از بسترهای سخت‌افزاری‌ای ارزیابی کنند که از پیش با آن‌ها آشنا هستند.

این قابلیت می‌تواند برای رایانه‌های صنعتی، ربات‌ها، دستگاه‌های لبه و زیرساخت‌های شبکه‌ایِ پراکنده در تأسیسات بزرگ مفید باشد؛ مکان‌هایی که گسترش پوشش Wi-Fi متعارف در آن‌ها دشوار یا پرهزینه است. RD17 به‌ویژه قابل توجه است، زیرا ارائه استاندارد اترنت آن وابستگی به درایورهای بی‌سیم مخصوص میزبان را کاهش می‌دهد و یکی از موانع رایج در سامانه‌های قدیمی و نهفته را برطرف می‌کند.

Wi-Fi HaLow جایگزین هر شبکه صنعتی نخواهد شد و نباید بی‌سیمِ بردبلند را جایگزینی برای زیرساخت کنترل قطعی در نظر گرفت. شاید مهم‌ترین نقش آن پر کردن فاصله میان Wi-Fi متعارف کوتاه‌برد و شبکه‌های تخصصی IoT با نرخ داده پایین باشد؛ به‌ویژه در جاهایی که تجهیزات به اتصال IP بومی در محدوده‌ای فیزیکی و گسترده‌تر نیاز دارند.

برای مهندسان صنایع، طراحی‌های جدید USB آزمایش این گزینه را آسان‌تر می‌کنند. به‌جای آغاز کار با پروژه‌ای برای طراحی مادربرد جدید، ماژول رادیویی و یکپارچه‌سازی نرم‌افزار، نخستین آزمایش اکنون می‌تواند با یک درگاه USB موجود آغاز شود.