Morse Micro wprowadziło dwa referencyjne projekty dongli USB Wi-Fi HaLow, których celem jest ułatwienie dodawania dalekosiężnej łączności bezprzewodowej do urządzeń, które nie były projektowane z wbudowanym sprzętem Wi-Fi HaLow.

Oba projekty, MM8108-RD09 i MM8108-RD17, oparte na układzie system-on-chip MM8108 firmy, wykorzystują USB jako punkt połączenia między Wi-Fi HaLow a istniejącą platformą hosta. Dla użytkowników przemysłowych takie podejście ma istotne znaczenie, ponieważ tworzy możliwą ścieżkę modernizacji komputerów, robotów i urządzeń brzegowych bez konieczności przeprojektowywania płyty głównej hosta pod kątem dedykowanego układu radiowego HaLow.

Rysunek 1. Projekty referencyjne USB MM8108 firmy Morse Micro oferują dwa różne podejścia do dodania łączności Wi-Fi HaLow do istniejących urządzeń.

Dlaczego USB zmienia problem integracji

Wi-Fi HaLow zwykle omawiano w kontekście nowego sprzętu IoT, w którym moduł radiowy można zaprojektować jako część produktu od samego początku. Środowiska przemysłowe wyglądają inaczej. Zakład może już dysponować komputerami, urządzeniami mobilnymi, robotami lub wbudowanymi sterownikami, którym pozostało jeszcze wiele lat użytecznej pracy, mimo że platformy te nie mają technologii bezprzewodowej wymaganej przez nowe zastosowanie.

Wymiana całej platformy hosta tylko po to, by uzyskać inny interfejs bezprzewodowy, rzadko jest atrakcyjna. Przeprojektowanie elektroniki wokół nowego układu radiowego może być równie trudne, ponieważ wiąże się z inżynierią RF, oprogramowaniem układowym, certyfikacją i kwestiami mechanicznymi. Implementacja USB przenosi dużą część tej złożoności do zewnętrznego projektu referencyjnego i pozwala w dużej mierze zachować istniejącą architekturę hosta.

Nie oznacza to, że integracja w każdym zastosowaniu jest całkowicie bezproblemowa, ale zmienia punkt wyjścia prac inżynieryjnych. Zamiast zastanawiać się, jak przeprojektować komputer przemysłowy pod kątem Wi-Fi HaLow, deweloperzy mogą zacząć od pytania, czy istniejący interfejs USB zapewni wymaganą łączność.

Wi-Fi HaLow wykorzystuje inną przestrzeń bezprzewodową

Wi-Fi HaLow opiera się na standardzie IEEE 802.11ah i działa w paśmie poniżej 1 GHz, a nie w pasmach 2,4 GHz, 5 GHz i 6 GHz kojarzonych z powszechnie stosowanym Wi-Fi. Niższa częstotliwość pracy ma zapewniać większy zasięg i lepsze właściwości propagacyjne w zastosowaniach IoT, przy zachowaniu natywnej komunikacji IP.

Morse Micro twierdzi, że jej implementacje HaLow mogą zapewniać łączność sieciową na odległość około jednego kilometra, choć rzeczywisty zasięg w środowisku przemysłowym zawsze zależy od regionalnych przepisów dotyczących częstotliwości, anten, mocy nadawczej, przeszkód, zakłóceń i warunków fizycznych.

Dzięki temu technologia ta jest interesująca w miejscach, w których zasięg konwencjonalnej sieci Wi-Fi staje się trudny do uzyskania lub wymaga rozbudowanej infrastruktury. Magazyny, zewnętrzne obszary procesowe, place logistyczne, obiekty rolnicze i rozproszone zasoby przemysłowe mogą obejmować odległości, które trudno pokryć przy zastosowaniu typowych założeń dotyczących bezprzewodowej łączności wewnątrz budynków.

Zaletą nie jest wyłącznie maksymalny zasięg. Wi-Fi HaLow zaprojektowano również z myślą o energooszczędnej pracy urządzeń IoT, przy zachowaniu znanej sieci opartej na protokole IP. Może to ograniczyć potrzebę tłumaczenia protokołów między łączem bezprzewodowym a konwencjonalną infrastrukturą Ethernet lub IP.

RD09 rozszerza Wi-Fi HaLow na istniejącą infrastrukturę sieciową

MM8108-RD09 zaprojektowano do pracy zarówno w trybie punktu dostępowego, jak i stacji. Morse Micro zapewnia obsługę OpenWrt, która umożliwia modernizację zgodnych routerów i punktów dostępowych z łącznością USB przez dodanie funkcji Wi-Fi HaLow.

Dzięki temu RD09 jest szczególnie istotny dla twórców infrastruktury i integratorów systemów. Istniejąca platforma routera może już zapewniać routing Ethernet, zaporę sieciową, zarządzanie i inne funkcje sieciowe, podczas gdy konstrukcja referencyjna USB dodaje warstwę radiową HaLow.

Ta sama konstrukcja może również obsługiwać urządzenia klienckie. Morse Micro wymienia natywną obsługę sterowników dla systemów Windows i Linux, a także aplikację dla macOS, umożliwiając konwencjonalnym komputerom łączenie się z sieciami Wi-Fi HaLow za pośrednictwem urządzenia USB.

Z perspektywy integracji przemysłowej jest to stosunkowo znana architektura: system operacyjny rozpoznaje adapter bezprzewodowy za pośrednictwem dedykowanego oprogramowania, a host może komunikować się z siecią HaLow za pośrednictwem interfejsu sieciowego.

RD17 wybiera ciekawszą drogę w przypadku urządzeń przemysłowych

MM8108-RD17 rozwiązuje inny problem. Zamiast wymagać od hosta obsługi dedykowanego adaptera Wi-Fi HaLow i odpowiadającego mu sterownika, adapter przedstawia się jako standardowy interfejs Ethernet CDC-NCM.

Dla hosta połączenie wygląda więc znacznie bardziej jak konwencjonalny interfejs sieciowy. Morse Micro określa RD17 jako bezsterownikowy, ponieważ urządzenia obsługujące standardowy interfejs CDC-NCM nie wymagają instalowania na hoście dedykowanego sterownika Wi-Fi HaLow firmy Morse Micro.

To rozróżnienie ma znaczenie w systemach przemysłowych, w których środowiska programowe mogą być ściśle kontrolowane. Komputer przemysłowy może działać na zatwierdzonym obrazie systemu, którego operatorzy nie chcą modyfikować. Sterownik robota lub platforma wbudowana może również obsługiwać USB, oferując przy tym niewielką elastyczność w zakresie dodawania sterowników jądra innych firm.

Przeniesienie większej części implementacji specyficznej dla HaLow poza hosta potencjalnie poszerza zakres urządzeń, które mogą korzystać z tej technologii bezprzewodowej. Morse Micro wskazuje komputery przemysłowe i robotykę jako jedne z docelowych zastosowań, obok terminali sprzedażowych oraz urządzeń z systemami Android lub iOS.

Brak sterownika nie oznacza braku konfiguracji

Termin „bez sterownika” może łatwo sprawiać wrażenie, że integracja nie wymaga żadnych prac. W praktyce istotne jest coś węższego: host nie wymaga dedykowanego sterownika Wi-Fi HaLow, jeśli już obsługuje standardowy interfejs Ethernet CDC-NCM.

Nadal należy uwzględnić konfigurację sieci, uwierzytelnianie, adresowanie i komunikację na poziomie aplikacji. Inżynierowie przemysłowi muszą również ocenić, jak nowa ścieżka bezprzewodowa współdziała z istniejącą segmentacją sieci, zasadami cyberbezpieczeństwa i praktykami zarządzania urządzeniami.

RD17 obsługuje Wi-Fi Easy Connect, znane również jako Device Provisioning Protocol, a także przycisk parowania dostępny do uwierzytelniania urządzenia. Może to uprościć proces dołączania w porównaniu z ręcznym konfigurowaniem danych uwierzytelniających sieci bezprzewodowej za pomocą aplikacji przeznaczonej dla konkretnego hosta.

W przypadku organizacji zarządzających wieloma rozproszonymi urządzeniami proces dołączania jest często równie ważny jak wydajność łącza radiowego. Technicznie sprawne łącze bezprzewodowe staje się trudne w obsłudze na dużą skalę, jeśli każdy punkt końcowy wymaga innego procesu udostępniania.

Istniejące komputery przemysłowe to oczywisty przypadek zastosowania

Komputery przemysłowe często pozostają w użyciu znacznie dłużej niż urządzenia komputerowe przeznaczone dla konsumentów. Ich procesory, interfejsy wejścia/wyjścia i oprogramowanie mogą nadal spełniać wymagania aplikacji, nawet gdy pierwotnie dostępne opcje sieciowe nie pasują już do nowej architektury zakładu.

Interfejs HaLow oparty na USB oferuje jeden z możliwych sposobów na wydłużenie okresu eksploatacji tych systemów bez wymiany komputera. Komputer przemysłowy używany na przykład do monitorowania zdalnych urządzeń mógłby potencjalnie łączyć się przez HaLow, zachowując dotychczasowe oprogramowanie i stos aplikacyjny oparty na Ethernet.

Jest to szczególnie istotne w przypadku platform HMI i komputerów przemysłowych, w których użyteczny okres eksploatacji sprzętu często przekracza cykl życia poszczególnych technologii komunikacyjnych.

Ta sama idea dotyczy systemów przetwarzania brzegowego. Urządzenie brzegowe może zbierać informacje z czujników, wykonywać lokalne analizy lub przeprowadzać wnioskowanie z wykorzystaniem uczenia maszynowego w pobliżu procesu. Jeśli istniejące połączenie sieciowe nie jest w stanie ekonomicznie pokryć wymaganej odległości, dodanie kolejnego interfejsu radiowego może być łatwiejsze niż przeprojektowanie całej platformy brzegowej.

Robotyka stawia inny zestaw wymagań dotyczących łączności

Roboty i autonomiczne urządzenia przemysłowe to kolejny obszar, w którym podejście USB mogłoby okazać się przydatne, choć wymagania dotyczące łączności znacznie różnią się w zależności od zastosowania. Nie każdy kanał komunikacji robota powinien zostać przeniesiony do sieci bezprzewodowej dalekiego zasięgu, zwłaszcza gdy wymagana jest deterministyczna kontrola lub komunikacja związana z bezpieczeństwem.

Istnieje jednak wiele dodatkowych przepływów danych, które nie wymagają, aby sieć bezprzewodowa zamykała podstawową pętlę sterowania ruchem. Informacje diagnostyczne, dane o stanie urządzeń, status produkcji, zarządzanie oprogramowaniem i wybrane informacje z czujników mogą być obsługiwane przez odrębną łączność.

Robot mobilny poruszający się po dużym obiekcie może również wyjść poza praktyczny obszar zasięgu pojedynczego konwencjonalnego punktu dostępowego. Rozszerzenie łączności za pomocą technologii bezprzewodowej poniżej 1 GHz mogłoby zmniejszyć niektóre problemy z zasięgiem, zależnie od układu obiektu i wymagań dotyczących wydajności.

Pytanie inżynieryjne nie brzmi więc, czy Wi-Fi HaLow powinno zastąpić każdą istniejącą przemysłową technologię bezprzewodową. Chodzi o to, czy połączenie zasięgu, sieci IP i energooszczędnego działania lepiej odpowiada określonej ścieżce komunikacyjnej niż rozwiązania alternatywne.

Duży zasięg może ograniczyć infrastrukturę, ale planowanie RF nadal ma znaczenie

Deklarowany zasięg rzędu kilometra jest atrakcyjny, ale obiekty przemysłowe rzadko przypominają otwarte środowiska laboratoryjne. Konstrukcje stalowe, maszyny, regały magazynowe, zbiorniki procesowe i zbrojone ściany mogą wpływać na propagację fal radiowych, a znajdujące się w pobliżu urządzenia mogą generować zakłócenia elektryczne i interferencje.

Z tego powodu praktyczną korzyścią z zastosowania HaLow może być mniejsza liczba punktów dostępowych lub lepszy zasięg w trudnych miejscach, a nie tylko osiągnięcie maksymalnego deklarowanego dystansu. Badanie zasięgu i testy w rzeczywistej instalacji nadal są ważne, gdy sieć bezprzewodowa będzie przenosić dane o znaczeniu operacyjnym.

Pasmo pracy poniżej 1 GHz również różni się w zależności od regionu, dlatego podczas wdrażania urządzeń na rynkach międzynarodowych należy uwzględnić konfigurację produktu i wymagania prawne. Przemysłowi producenci OEM planujący jedną platformę dla kilku rynków nie mogą zakładać, że wszędzie obowiązują identyczne parametry radiowe.

Natywna łączność IP upraszcza architekturę sieci

Jedną z ważniejszych cech Wi-Fi HaLow w kontekście integracji przemysłowej jest natywna łączność IP. Niektóre technologie IoT dalekiego zasięgu są celowo zoptymalizowane pod kątem sieci czujników o niskiej przepływności i wykorzystują bramy do tłumaczenia między protokołem radiowym a standardowymi sieciami IP.

HaLow stosuje inne podejście. Urządzenia mogą bezpośrednio uczestniczyć w sieciach IP, co może ułatwić integrację zespołom, które już zarządzają infrastrukturą Ethernet i Wi-Fi.

Nie eliminuje to potrzeby stosowania bram, zapór sieciowych ani routingu tam, gdzie wymaga tego architektura. Oznacza jedynie, że translacja protokołów nie musi stanowić fundamentalnego elementu każdego połączenia.

W przypadku inżynierów pracujących z systemami komunikacji i sieci przemysłowych ta znajomość może ograniczyć część prac związanych z integracją oprogramowania, zwykle wymaganych przy dodawaniu wyspecjalizowanej technologii radiowej dalekiego zasięgu.

MM8108 zapewnia większy zapas przepustowości niż łączność z prostymi czujnikami

MM8108 to układ SoC Wi-Fi HaLow drugiej generacji firmy Morse Micro. Firma podaje, że szybkość transmisji danych PHY sięga około 43,3 Mb/s w obsługiwanych warunkach pracy, co plasuje to urządzenie znacznie powyżej wymagań dotyczących przepustowości wielu podstawowych aplikacji telemetrycznych.

Nie oznacza to, że instalacja przemysłowa będzie stale osiągać maksymalną szybkość PHY, szczególnie przy dużym zasięgu. Na rzeczywistą przepustowość aplikacji wpływają warunki kanału, modulacja, narzut protokołu i projekt sieci.

Pomaga to jednak wyjaśnić, dlaczego Morse Micro pozycjonuje nowe konstrukcje USB zarówno pod kątem brzegowej sztucznej inteligencji, jak i konwencjonalnej łączności IoT. Rozproszone systemy brzegowe mogą generować znacznie więcej informacji niż proste czujniki temperatury lub ciśnienia, zwłaszcza gdy aplikacje obejmują diagnostykę maszyn, obrazy lub bogatsze zbiory danych operacyjnych.

USB może również przyspieszyć prototypowanie

Wartość projektu referencyjnego nie ogranicza się do modernizacji istniejącego sprzętu produkcyjnego. Sprzęt USB może również ułatwić wczesną ewaluację, ponieważ programiści nie muszą od razu decydować się na niestandardową płytkę radiową.

Integrator systemu może przetestować zasięg, przepustowość i działanie aplikacji przy użyciu istniejącego hosta, zanim zdecyduje, czy późniejszy projekt produkcyjny powinien zachować implementację USB, czy też bardziej bezpośrednio zintegrować układ MM8108.

Ułatwia to uzyskanie odpowiedzi na najważniejsze pytanie na wczesnym etapie: czy Wi-Fi HaLow rzeczywiście rozwiązuje problem łączności w tej lokalizacji?

Jeśli odpowiedź brzmi „nie”, zespół inżynieryjny uniknął znacznego nakładu pracy nad rozwojem sprzętu. Jeśli odpowiedź brzmi „tak”, pomiary zebrane na etapie prototypu mogą pomóc w rozmieszczeniu anten, określeniu topologii sieci i projektowaniu przyszłych produktów.

Dwie konstrukcje referencyjne odpowiadają dwóm różnym ścieżkom modernizacji

Różnica między RD09 a RD17 jest ostatecznie ważniejsza niż fakt, że oba produkty wykorzystują USB. RD09 integruje HaLow jako natywny interfejs bezprzewodowy i szczególnie dobrze nadaje się do routerów, punktów dostępowych oraz komputerów, w których dedykowane wsparcie programowe jest praktyczne.

RD17 abstrahuje większą część tej integracji od hosta, prezentując się jako standardowy interfejs Ethernet CDC-NCM. Dzięki temu może lepiej nadawać się do urządzeń przemysłowych i wbudowanych, w których instalowanie dodatkowych sterowników bezprzewodowych jest niepożądane lub niemożliwe.

Oba podejścia rozwiązują ten sam szerszy problem: duża baza zainstalowanych urządzeń została zaprojektowana, zanim Wi-Fi HaLow stało się dostępne komercyjnie, a wymiana tych urządzeń wyłącznie w celu uzyskania kolejnej technologii radiowej jest trudna do uzasadnienia.

Większa szansa: łączność bez przeprojektowywania maszyny

Znaczenie przemysłowe nowych konstrukcji referencyjnych firmy Morse Micro wiąże się więc w mniejszym stopniu z samym złączem USB, a bardziej z tym, czego pozwala ono uniknąć. Istniejące urządzenia mogą uzyskać dostęp do sieci sub-GHz dalekiego zasięgu bez całkowitego przeprojektowywania hosta, a deweloperzy mogą oceniać HaLow z wykorzystaniem znanych sobie platform sprzętowych.

Może to być przydatne w przypadku komputerów przemysłowych, robotów, urządzeń brzegowych i infrastruktury sieciowej rozmieszczonych na dużych obiektach, gdzie rozszerzenie zasięgu konwencjonalnego Wi-Fi jest trudne lub kosztowne. RD17 zasługuje na szczególną uwagę, ponieważ jego standardowy interfejs Ethernet zmniejsza zależność od sterowników bezprzewodowych specyficznych dla hosta, usuwając jedną z typowych przeszkód w starszych i wbudowanych systemach.

Wi-Fi HaLow nie zastąpi każdej sieci przemysłowej, a bezprzewodowej łączności dalekiego zasięgu nie należy traktować jako substytutu deterministycznej infrastruktury sterowania. Jej najważniejszą rolą może być raczej wypełnienie przestrzeni między konwencjonalnym Wi-Fi krótkiego zasięgu a wyspecjalizowanymi sieciami IoT o niskiej przepływności danych, szczególnie tam, gdzie urządzenia potrzebują natywnej łączności IP na większym obszarze.

Dla inżynierów przemysłowych nowe konstrukcje USB ułatwiają przetestowanie tej opcji. Zamiast zaczynać od nowej płyty głównej, modułu radiowego i projektu integracji oprogramowania, pierwsza próba może się teraz rozpocząć od dostępnego portu USB.