A Morse Micro két Wi-Fi HaLow USB-kulcs referenciadizájnját mutatta be azzal a céllal, hogy megkönnyítse a nagy hatótávolságú vezeték nélküli kapcsolat hozzáadását olyan berendezésekhez, amelyeket eredetileg nem Wi-Fi HaLow-hardverrel terveztek.

A vállalat MM8108 rendszerchipje köré épülő MM8108-RD09 és MM8108-RD17 egyaránt USB-t használ a Wi-Fi HaLow és egy meglévő gazdaplatform közötti kapcsolódási pontként. Az ipari felhasználók számára ez a megközelítés azért jelentős, mert lehetséges frissítési utat kínál számítógépek, robotok és peremhálózati eszközök számára anélkül, hogy a gyártóknak a gazdaalaplapot egy dedikált HaLow-rádió köré kellene áttervezniük.

1. ábra. A Morse Micro MM8108 USB-referenciadizájnjai két különböző megközelítést kínálnak a Wi-Fi HaLow-kapcsolat meglévő eszközökhöz történő hozzáadására.

Miért változtatja meg az USB az integrációs problémát?

A Wi-Fi HaLow-ról általában új IoT-eszközök kapcsán beszéltek, amelyekben a rádió már a kezdetektől beépíthető a termékbe. Az ipari környezetek mások. Egy üzemben már rendelkezésre állhatnak számítógépek, mobil berendezések, robotok vagy beágyazott vezérlők, amelyek még évekig hasznosíthatók, noha ezekből a platformokból hiányzik az új alkalmazáshoz szükséges vezeték nélküli technológia.

A teljes gazdaplatform lecserélése pusztán egy másik vezeték nélküli interfész megszerzéséért ritkán vonzó megoldás. Az elektronika új rádió köré történő áttervezése ugyanilyen nehéz lehet, mivel RF-mérnöki, firmware-, tanúsítási és mechanikai szempontokat is bevezet. Egy USB-megvalósítás a komplexitás jelentős részét egy külső referenciadizájnba helyezi át, és a meglévő gazdaarchitektúrát nagyrészt érintetlenül hagyja.

Ez nem jelenti azt, hogy az integráció minden alkalmazásban teljesen plug-and-play lenne, de megváltoztatja a mérnöki kiindulópontot. Ahelyett, hogy azt kérdeznék, miként kellene egy ipari számítógépet Wi-Fi HaLow-hoz áttervezni, a fejlesztők abból indulhatnak ki, hogy egy meglévő USB-interfész biztosíthatja-e a szükséges kapcsolatot.

A Wi-Fi HaLow más vezeték nélküli területet céloz meg

A Wi-Fi HaLow az IEEE 802.11ah szabványon alapul, és a mainstream Wi-Fi-hez társított 2,4 GHz-es, 5 GHz-es és 6 GHz-es sávok helyett a szubgigahertzes spektrumban működik. Az alacsonyabb működési frekvencia célja, hogy nagyobb hatótávolságot és jobb terjedési jellemzőket biztosítson az IoT-alkalmazások számára, miközben megőrzi a natív IP-hálózatkezelést.

A Morse Micro szerint HaLow-megvalósításai körülbelül egy kilométeres távolságig biztosíthatnak hálózati kapcsolatot, bár a tényleges ipari hatótávolság mindig a regionális frekvenciaszabályozástól, az antennáktól, az adóteljesítménytől, az akadályoktól, az interferenciától és a fizikai környezettől függ.

Ez olyan helyszíneken teszi érdekessé a technológiát, ahol a hagyományos Wi-Fi-lefedettség kialakítása nehézzé vagy infrastruktúra-igényessé válik. A raktárak, kültéri feldolgozási területek, logisztikai telephelyek, mezőgazdasági létesítmények és elosztott ipari eszközök mind olyan távolságokat foglalhatnak magukban, amelyeket a szokásos beltéri vezeték nélküli feltételezésekkel nehéz lefedni.

A vonzerő nem csupán a maximális hatótávolságban rejlik. A Wi-Fi HaLow-t alacsony fogyasztású IoT-működésre is tervezték, miközben megőrzi az ismerős, IP-alapú hálózatkezelést. Ez csökkentheti a vezeték nélküli kapcsolat és a hagyományos Ethernet- vagy IP-infrastruktúra közötti protokollátalakítás szükségességét.

Az RD09 kiterjeszti a Wi-Fi HaLow-t a meglévő hálózati infrastruktúrára

Az MM8108-RD09 hozzáférési pontként és állomásként egyaránt használható. A Morse Micro OpenWrt-támogatást biztosít, amely lehetővé teszi, hogy az USB-csatlakozással rendelkező kompatibilis routereket és hozzáférési pontokat Wi-Fi HaLow-képességgel bővítsék.

Ez teszi az RD09-et különösen relevánssá az infrastruktúra-fejlesztők és rendszerintegrátorok számára. Egy meglévő routerplatform már biztosíthat Ethernet-útválasztást, tűzfalat, felügyeletet és egyéb hálózati funkciókat, miközben az USB-s referencia-kialakítás hozzáadja a HaLow rádiós réteget.

Ugyanez a kialakítás klienseszközöket is támogathat. A Morse Micro natív illesztőprogram-támogatást sorol fel Windows és Linux rendszerhez, valamint egy macOS-alkalmazást is kínál, így a hagyományos számítógépek az USB-eszközön keresztül csatlakozhatnak Wi-Fi HaLow hálózatokhoz.

Ipari integrációs szempontból ez viszonylag ismerős architektúra: az operációs rendszer dedikált szoftveren keresztül kezeli a vezeték nélküli adaptert, a gazdagép pedig hálózati interfészként kommunikálhat a HaLow hálózattal.

Az RD17 érdekesebb utat választ az ipari berendezések számára

Az MM8108-RD17 más problémát old meg. Ahelyett, hogy a gazdagépnek meg kellene értenie egy dedikált Wi-Fi HaLow adaptert és a hozzá tartozó illesztőprogramot, a hardverkulcs szabványos CDC-NCM Ethernet-interfészként jelenik meg.

A gazdagép számára a kapcsolat így sokkal inkább hagyományos hálózati interfésznek tűnik. A Morse Micro azért nevezi az RD17-et illesztőprogram-mentesnek, mert a szabványos CDC-NCM interfészt támogató eszközökhöz nem szükséges külön Morse Micro Wi-Fi HaLow illesztőprogramot telepíteni a gazdagépre.

Ez a megkülönböztetés olyan ipari rendszerekben fontos, ahol a szoftverkörnyezet szigorúan szabályozható. Egy ipari számítógép ellenőrzött operációsrendszer-lemezképet futtathat, amelyet az üzemeltetők nem szeretnének módosítani. Egy robotvezérlő vagy beágyazott platform szintén támogathatja az USB-t, miközben kevés rugalmasságot kínál külső gyártótól származó kernel-illesztőprogramok hozzáadásához.

Azzal, hogy a HaLow-specifikus megvalósítás nagyobb részét a gazdagépen kívülre helyezi, az RD17 potenciálisan szélesíti a vezeték nélküli technológiát használni képes berendezések körét. A Morse Micro kifejezetten az ipari számítógépeket és a robotikát is célalkalmazásai között említi az értékesítési ponti terminálok, valamint az Android- és iOS-eszközök mellett.

A driver nélküli működés nem jelent konfigurációmentességet

A „driver nélküli” kifejezés könnyen azt a benyomást keltheti, hogy nincs szükség integrációs munkára. A gyakorlatban a lényeg szűkebb: a gazdagépnek nincs szüksége dedikált Wi-Fi HaLow-illesztőprogramra, ha már támogatja a szabványos CDC-NCM Ethernet-interfészt.

A hálózati konfigurációt, a hitelesítést, a címzést és az alkalmazásszintű kommunikációt továbbra is figyelembe kell venni. Az ipari mérnököknek azt is értékelniük kell, hogy az új vezeték nélküli útvonal hogyan lép kölcsönhatásba a meglévő hálózati szegmentálással, kiberbiztonsági szabályzatokkal és eszközkezelési gyakorlatokkal.

Az RD17 támogatja a Wi-Fi Easy Connect funkciót, más néven a Device Provisioning Protocolt, és párosítási gombbal is rendelkezik az eszköz-hitelesítéshez. Ez leegyszerűsítheti a csatlakoztatást ahhoz képest, mintha a vezeték nélküli hitelesítő adatokat manuálisan, egy gazdagépspecifikus alkalmazáson keresztül kellene beállítani.

A számos elosztott eszközt kezelő szervezetek számára a csatlakoztatás gyakran legalább annyira fontos, mint a rádiós teljesítmény. Egy műszakilag megfelelő vezeték nélküli kapcsolat nagy léptékben nehezen üzemeltethető, ha minden végpont eltérő üzembe helyezési munkafolyamatot igényel.

A meglévő ipari számítógépek kézenfekvő felhasználási területet jelentenek

Az ipari PC-k gyakran jóval tovább maradnak szolgálatban, mint a fogyasztói számítástechnikai eszközök. Processzoraik, I/O-interfészeik és szoftvereik továbbra is megfelelhetnek az alkalmazási követelményeknek akkor is, amikor az eredeti hálózati lehetőségek már nem illeszkednek az új üzemi architektúrához.

Az USB-alapú HaLow-interfész egy lehetséges módot kínál ezeknek a rendszereknek a bővítésére a számítógép lecserélése nélkül. Egy távoli berendezések felügyeletére használt ipari PC például potenciálisan HaLow-kapcsolaton keresztül csatlakozhat, miközben megőrzi meglévő szoftverét és Ethernet-alapú alkalmazási rétegét.

Ez különösen releváns a HMI- és ipari számítástechnikai platformok esetében, amelyeknél a hardver hasznos élettartama gyakran meghaladja az egyes kommunikációs technológiák életciklusát.

Ugyanez az elv érvényes az edge computing rendszerekre is. Egy edge-eszköz érzékelőadatokat gyűjthet, helyi elemzést végezhet, illetve gépi tanulási következtetést futtathat a folyamat közelében. Ha a meglévő hálózati kapcsolat a szükséges távolságot gazdaságosan nem tudja lefedni, egy további rádiós interfész hozzáadása egyszerűbb lehet, mint a teljes edge-platform újratervezése.

A robotika eltérő kapcsolati követelményeket támaszt

A robotika és az autonóm ipari eszközök szintén olyan területet jelentenek, ahol az USB-megközelítés hasznos lehet, bár a kapcsolati követelmények alkalmazásonként jelentősen eltérnek. Nem minden robotkommunikációs kapcsolatot kell nagy hatótávolságú vezeték nélküli hálózatra áthelyezni, különösen akkor nem, ha determinisztikus vezérlésről vagy biztonság szempontjából kritikus kommunikációról van szó.

Vannak azonban olyan másodlagos adatfolyamok is, amelyeknél nem szükséges, hogy a vezeték nélküli hálózat zárja a mozgásvezérlés elsődleges szabályozási körét. A diagnosztikai információk, a berendezések állapotadatai, a gyártási állapot, a szoftverkezelés és bizonyos szenzorinformációk mind külön kapcsolaton továbbíthatók.

Egy nagy létesítményben működő mobilrobot egyetlen hagyományos hozzáférési pont gyakorlati lefedettségi területén is túljuthat. A szubgigahertzes vezeték nélküli kapcsolat kiterjesztése csökkentheti egyes lefedettségi problémákat, a helyszín elrendezésétől és a teljesítménykövetelményektől függően.

A mérnöki kérdés tehát nem az, hogy a Wi-Fi HaLow-nak le kell-e váltania minden meglévő ipari vezeték nélküli technológiát. Hanem az, hogy a hatótávolság, az IP-hálózatkezelés és az alacsonyabb energiafogyasztás kombinációja egy adott kommunikációs útvonalhoz jobban illeszkedik-e, mint az alternatívák.

A nagy hatótávolság csökkentheti az infrastruktúraigényt, de az RF-tervezés továbbra is fontos

A kilométeres nagyságrendű hatótávolság ígérete vonzó, az ipari telephelyek azonban ritkán hasonlítanak a nyílt laboratóriumi tesztkörnyezetekre. Az acélszerkezetek, gépek, tárolóállványok, technológiai tartályok és vasbeton falak mind befolyásolhatják az RF-terjedést, miközben a közeli berendezések elektromos zajt és interferenciát okozhatnak.

Ezért a HaLow gyakorlati előnye inkább a hozzáférési pontok számának csökkentése vagy a nehéz területeken nyújtott jobb lefedettség lehet, nem pedig egyszerűen a hirdetett maximális hatótávolság elérése. Helyszíni felmérésre és valós telepítési tesztelésre továbbra is szükség van, amikor a vezeték nélküli hálózat üzemileg fontos adatokat továbbít.

A szubgigahertzes működési sáv régiónként szintén eltér, ezért a berendezések nemzetközi telepítésekor figyelembe kell venni a termékkonfigurációt és a szabályozási követelményeket. Az egyetlen platformot több piacra tervező ipari OEM-gyártók nem feltételezhetik, hogy a rádiós paraméterek mindenhol azonosak.

A natív IP egyszerűsíti a hálózati architektúrát

A Wi-Fi HaLow ipari integráció szempontjából fontos jellemzői közé tartozik a natív IP-kapcsolat. Egyes nagy hatótávolságú IoT-technológiákat szándékosan alacsony adatátviteli sebességű szenzorhálózatokra optimalizáltak, és átjárókra támaszkodnak a rádiós protokoll és a szabványos IP-hálózatok közötti fordításhoz.

A HaLow eltérő megközelítést alkalmaz. Az eszközök közvetlenül is részt vehetnek az IP-alapú hálózatokban, ami ismerősebbé teheti az integrációt azoknak a csapatoknak, amelyek már Ethernet- és Wi-Fi-infrastruktúrát kezelnek.

Ez nem szünteti meg az átjárók, tűzfalak vagy útválasztás szükségességét, ha az architektúra megköveteli ezeket. Csupán azt jelenti, hogy a protokollfordításnak nem kell minden kapcsolat alapvető részét képeznie.

A ipari kommunikációs és hálózati rendszereken dolgozó mérnökök számára ez az ismerősség csökkentheti a speciális, nagy hatótávolságú rádiótechnológia bevezetésével általában együtt járó szoftverintegrációs munkát.

Az MM8108 nagyobb tartalékot biztosít, mint az egyszerű érzékelőkapcsolatok

Az MM8108 a Morse Micro második generációs Wi-Fi HaLow SoC-ja. A vállalat által megadott PHY-adatátviteli sebesség támogatott üzemeltetési körülmények között megközelítőleg 43,3 Mbps, amivel az eszköz jóval meghaladja számos alapvető telemetriai alkalmazás átviteli sebességigényét.

Ez nem jelenti azt, hogy egy ipari telepítés folyamatosan eléri a maximális PHY-sebességet, különösen nagy hatótávolság esetén. A tényleges alkalmazásszintű átviteli sebességet a csatornafeltételek, a moduláció, a protokoll többletterhelése és a hálózati kialakítás befolyásolja.

Ez azonban segít megmagyarázni, miért pozicionálja a Morse Micro az új USB-s terveket az edge AI-hoz, valamint a hagyományos IoT-kapcsolatokhoz. Az elosztott edge-rendszerek jóval több információt generálhatnak, mint az egyszerű hőmérséklet- vagy nyomásérzékelők, különösen akkor, ha az alkalmazások gépdiagnosztikát, képeket vagy gazdagabb üzemi adatkészleteket foglalnak magukban.

Az USB a prototípuskészítést is felgyorsíthatja

A referenciatervezés értéke nem korlátozódik a gyártásban lévő berendezések utólagos átalakítására. Az USB-s hardver a korai kiértékelést is megkönnyítheti, mivel a fejlesztőknek nem kell azonnal egyedi rádiópanel mellett elköteleződniük.

A rendszerintegrátor egy meglévő gazdagép használatával tesztelheti a lefedettséget, az átviteli sebességet és az alkalmazás működését, mielőtt eldöntené, hogy a későbbi sorozatgyártású kialakítás megtartsa-e az USB-s megoldást, vagy közvetlenebbül integrálja az MM8108-at.

Ez megkönnyíti a legfontosabb kezdeti kérdés megválaszolását: valóban megoldja-e a Wi-Fi HaLow a csatlakozási problémát ezen a helyszínen?

Ha a válasz nem, a mérnöki csapat elkerült egy jelentős hardverfejlesztési munkát. Ha a válasz igen, a prototípusfázisban gyűjtött mérések iránymutatást adhatnak az antennák elhelyezéséhez, a hálózati topológiához és a jövőbeli terméktervezéshez.

Két referenciaterv két különböző korszerűsítési lehetőséget kínál

Az RD09 és az RD17 közötti különbség végső soron fontosabb annál a ténynél, hogy mindkét termék USB-t használ. Az RD09 natív vezeték nélküli interfészként integrálja a HaLow-t, ezért különösen alkalmas routerekhez, hozzáférési pontokhoz és olyan számítógépekhez, ahol a dedikált szoftvertámogatás megvalósítható.

Az RD17 a gazdagéptől való integráció nagyobb részét elvonatkoztatja azáltal, hogy szabványos CDC-NCM Ethernet-interfészként jelenik meg. Ez potenciálisan alkalmassá teszi ipari és beágyazott berendezésekhez, ahol további vezeték nélküli illesztőprogramok telepítése nem kívánatos vagy nem lehetséges.

Mindkét megközelítés ugyanazt a tágabb problémát kezeli: a telepített berendezések nagy része még azelőtt készült, hogy a Wi-Fi HaLow kereskedelmi forgalomban elérhetővé vált volna, és ezeket a berendezéseket pusztán egy újabb rádiótechnológia megszerzéséért lecserélni nehezen indokolható.

A nagyobb lehetőség: kapcsolat a gép újratervezése nélkül

A Morse Micro új referenciaterveinek ipari jelentősége ezért kevésbé magában az USB-csatlakozóban, inkább abban rejlik, amit ez a csatlakozó szükségtelenné tesz. A meglévő berendezések teljes gazdagépes újratervezés nélkül is hozzáférhetnek a nagy hatótávolságú, szubgigahertzes hálózatokhoz, miközben a fejlesztők olyan hardverplatformokon értékelhetik a HaLow-t, amelyeket már ismernek.

Ez hasznos lehet olyan ipari számítógépek, robotok, peremhálózati eszközök és hálózati infrastruktúrák esetében, amelyek nagy létesítményekben szétszórva helyezkednek el, ahol a hagyományos Wi-Fi-lefedettség kiterjesztése nehéz vagy költséges. Az RD17 különösen figyelemre méltó, mivel szabványos Ethernet-interfészként jelenik meg, így csökkenti a gazdagépspecifikus vezeték nélküli illesztőprogramoktól való függőséget, és megszüntet egy gyakori akadályt a régebbi és beágyazott rendszerekben.

A Wi-Fi HaLow nem fog minden ipari hálózatot kiváltani, és a nagy hatótávolságú vezeték nélküli kapcsolatot sem szabad a determinisztikus vezérlési infrastruktúra helyettesítőjeként kezelni. Legfontosabb szerepe inkább az lehet, hogy kitöltse a rövid hatótávolságú, hagyományos Wi-Fi és a speciális, alacsony adatátviteli sebességű IoT-hálózatok közötti teret, különösen ott, ahol a berendezéseknek nagyobb fizikai területen van szükségük natív IP-kapcsolatra.

Az ipari mérnökök számára az új USB-kialakítások megkönnyítik ennek a lehetőségnek a tesztelését. Ahelyett, hogy egy új alaplappal, rádiós modullal és szoftverintegrációs projekttel kellene kezdeni, az első kísérlet most akár egy rendelkezésre álló USB-porttal is elindulhat.