Morse Micro cung cấp giải pháp USB để kết nối tầm xa cho các thiết bị công nghiệp

Morse Micro đã giới thiệu hai thiết kế tham chiếu USB dạng dongle Wi-Fi HaLow nhằm giúp bổ sung kết nối không dây tầm xa dễ dàng hơn cho những thiết bị vốn chưa được thiết kế để tích hợp phần cứng Wi-Fi HaLow.

Được xây dựng trên nền tảng chip tích hợp hệ thống MM8108 của công ty, MM8108-RD09 và MM8108-RD17 đều sử dụng USB làm điểm kết nối giữa Wi-Fi HaLow và một nền tảng máy chủ hiện có. Đối với người dùng công nghiệp, phương pháp này rất đáng chú ý vì mở ra một lộ trình nâng cấp cho máy tính, robot và thiết bị biên mà không yêu cầu nhà sản xuất thiết kế lại bo mạch chủ xoay quanh một chip vô tuyến HaLow chuyên dụng.

Hình 1. Các thiết kế tham chiếu USB MM8108 của Morse Micro cung cấp hai phương án khác nhau để bổ sung kết nối Wi-Fi HaLow cho các thiết bị hiện có.

Vì sao USB thay đổi bài toán tích hợp

Wi-Fi HaLow thường được thảo luận trong bối cảnh thiết bị IoT mới, nơi chip vô tuyến có thể được thiết kế tích hợp vào sản phẩm ngay từ đầu. Môi trường công nghiệp thì khác. Một nhà máy có thể đã sở hữu máy tính, thiết bị di động, robot hoặc bộ điều khiển nhúng còn nhiều năm sử dụng hữu ích, dù các nền tảng đó thiếu công nghệ không dây cần thiết cho một ứng dụng mới.

Việc thay thế toàn bộ nền tảng máy chủ chỉ để có thêm một giao diện không dây hiếm khi hấp dẫn. Thiết kế lại hệ thống điện tử xoay quanh một chip vô tuyến mới cũng có thể khó khăn không kém vì phát sinh các vấn đề về kỹ thuật RF, firmware, chứng nhận và cơ khí. Giải pháp USB chuyển phần lớn sự phức tạp đó vào một thiết kế tham chiếu bên ngoài, đồng thời giữ nguyên kiến trúc máy chủ hiện có ở mức độ lớn.

Điều đó không khiến việc tích hợp hoàn toàn theo kiểu cắm là chạy trong mọi ứng dụng, nhưng nó thay đổi điểm khởi đầu của quá trình thiết kế. Thay vì đặt câu hỏi làm thế nào để thiết kế lại một máy tính công nghiệp cho Wi-Fi HaLow, các nhà phát triển có thể bắt đầu bằng việc xem liệu một giao diện USB hiện có có thể cung cấp kết nối cần thiết hay không.

Wi-Fi HaLow hướng đến một không gian không dây khác

Wi-Fi HaLow dựa trên IEEE 802.11ah và hoạt động trong phổ tần dưới 1 GHz thay vì các băng tần 2,4 GHz, 5 GHz và 6 GHz gắn liền với Wi-Fi phổ biến. Tần số hoạt động thấp hơn nhằm mang lại phạm vi phủ sóng xa hơn và đặc tính truyền sóng tốt hơn cho các ứng dụng IoT, đồng thời duy trì kết nối mạng IP nguyên bản.

Morse Micro cho biết các triển khai HaLow của họ có thể cung cấp kết nối mạng ở khoảng cách lên tới xấp xỉ một kilômét, mặc dù phạm vi thực tế trong môi trường công nghiệp luôn phụ thuộc vào quy định tần số của từng khu vực, ăng-ten, công suất phát, vật cản, nhiễu và môi trường vật lý.

Điều này khiến công nghệ trở nên đáng chú ý tại những địa điểm mà việc phủ sóng Wi-Fi thông thường trở nên khó khăn hoặc đòi hỏi nhiều hạ tầng. Kho hàng, khu vực quy trình ngoài trời, bãi logistics, cơ sở nông nghiệp và các tài sản công nghiệp phân tán đều có thể bao gồm những khoảng cách khó phủ sóng nếu áp dụng các giả định thông thường về mạng không dây trong nhà.

Sức hấp dẫn không chỉ nằm ở phạm vi phủ sóng tối đa. Wi-Fi HaLow cũng được thiết kế cho hoạt động IoT tiêu thụ điện năng thấp, đồng thời vẫn duy trì kết nối mạng dựa trên IP quen thuộc. Điều đó có thể giảm nhu cầu chuyển đổi giao thức giữa liên kết không dây và hạ tầng Ethernet hoặc IP thông thường.

RD09 Mở Rộng Wi-Fi HaLow Vào Hạ Tầng Mạng Hiện Có

MM8108-RD09 được thiết kế để hoạt động trong cả ứng dụng điểm truy cập và trạm. Morse Micro cung cấp hỗ trợ OpenWrt, cho phép nâng cấp các bộ định tuyến và điểm truy cập tương thích có kết nối USB để bổ sung khả năng Wi-Fi HaLow.

Điều này khiến RD09 đặc biệt phù hợp với các nhà phát triển hạ tầng và đơn vị tích hợp hệ thống. Một nền tảng bộ định tuyến hiện có có thể đã cung cấp chức năng định tuyến Ethernet, tường lửa, quản lý và các chức năng mạng khác, trong khi thiết kế tham chiếu USB bổ sung lớp vô tuyến HaLow.

Thiết kế tương tự cũng có thể hỗ trợ các thiết bị máy khách. Morse Micro liệt kê khả năng hỗ trợ trình điều khiển gốc cho Windows và Linux, cùng với một ứng dụng macOS, cho phép các máy tính thông thường kết nối với mạng Wi-Fi HaLow thông qua thiết bị USB.

Xét từ góc độ tích hợp công nghiệp, đây là một kiến trúc tương đối quen thuộc: hệ điều hành nhận diện bộ điều hợp không dây thông qua phần mềm chuyên dụng, còn máy chủ có thể tương tác với mạng HaLow như một giao diện mạng.

RD17 Chọn Hướng Tiếp Cận Thú Vị Hơn Cho Thiết Bị Công Nghiệp

MM8108-RD17 giải quyết một vấn đề khác. Thay vì yêu cầu máy chủ hiểu một bộ điều hợp Wi-Fi HaLow chuyên dụng và trình điều khiển tương ứng, thiết bị dongle tự nhận diện là một giao diện Ethernet CDC-NCM tiêu chuẩn.

Do đó, đối với máy chủ, kết nối này trông giống một giao diện mạng thông thường hơn nhiều. Morse Micro mô tả RD17 là thiết bị không cần trình điều khiển vì các thiết bị hỗ trợ giao diện CDC-NCM tiêu chuẩn không cần cài trình điều khiển Wi-Fi HaLow chuyên dụng của Morse Micro trên máy chủ.

Sự phân biệt này rất quan trọng trong các hệ thống công nghiệp, nơi môi trường phần mềm có thể được kiểm soát chặt chẽ. Một máy tính công nghiệp có thể chạy một image hệ điều hành đã được xác thực mà người vận hành không muốn sửa đổi. Bộ điều khiển robot hoặc nền tảng nhúng cũng có thể hỗ trợ USB nhưng ít linh hoạt trong việc bổ sung trình điều khiển kernel của bên thứ ba.

Bằng cách chuyển nhiều phần triển khai dành riêng cho HaLow ra khỏi máy chủ, RD17 có khả năng mở rộng phạm vi thiết bị có thể sử dụng công nghệ không dây này. Morse Micro nêu rõ máy tính công nghiệp và robot là những ứng dụng mục tiêu, bên cạnh thiết bị đầu cuối tại điểm bán hàng và các thiết bị Android hoặc iOS.

Không cần trình điều khiển không có nghĩa là không cần cấu hình

Thuật ngữ “không cần trình điều khiển” dễ tạo ấn tượng rằng không cần thực hiện công việc tích hợp nào. Trên thực tế, điểm quan trọng hẹp hơn: máy chủ không cần trình điều khiển Wi-Fi HaLow chuyên dụng khi đã hỗ trợ giao diện Ethernet CDC-NCM tiêu chuẩn.

Cấu hình mạng, xác thực, cấp địa chỉ và giao tiếp ở cấp ứng dụng vẫn cần được xem xét. Các kỹ sư công nghiệp cũng phải đánh giá cách đường truyền không dây mới tương tác với phân đoạn mạng hiện có, các chính sách an ninh mạng và các phương thức quản lý thiết bị.

RD17 hỗ trợ Wi-Fi Easy Connect, còn được gọi là Giao thức cấp phép thiết bị, cùng một nút ghép nối để xác thực thiết bị. Điều này có thể đơn giản hóa việc đưa thiết bị vào hệ thống so với việc cấp phép thủ công thông tin xác thực không dây thông qua ứng dụng dành riêng cho từng máy chủ.

Đối với các tổ chức quản lý nhiều thiết bị phân tán, việc đưa thiết bị vào hệ thống thường quan trọng không kém hiệu suất vô tuyến. Một liên kết không dây có năng lực về mặt kỹ thuật sẽ khó vận hành trên quy mô lớn nếu mỗi điểm cuối lại yêu cầu một quy trình cấp phép khác nhau.

Máy tính công nghiệp hiện có là một trường hợp sử dụng rõ ràng

Máy tính công nghiệp thường được sử dụng lâu hơn nhiều so với thiết bị máy tính dành cho người tiêu dùng. Bộ xử lý, giao diện I/O và phần mềm của chúng có thể vẫn đáp ứng các yêu cầu ứng dụng ngay cả khi các tùy chọn mạng ban đầu không còn phù hợp với kiến trúc nhà máy mới.

Một giao diện HaLow dựa trên USB là một cách khả thi để kéo dài thời gian sử dụng của các hệ thống đó mà không cần thay máy tính. Chẳng hạn, một máy tính công nghiệp dùng để giám sát thiết bị từ xa có thể kết nối qua HaLow, đồng thời giữ nguyên phần mềm hiện có và ngăn xếp ứng dụng dựa trên Ethernet.

Điều này đặc biệt phù hợp với các nền tảng HMI và Máy tính công nghiệp, nơi thời gian sử dụng hữu ích của phần cứng thường dài hơn vòng đời của từng công nghệ truyền thông.

Ý tưởng tương tự cũng áp dụng cho các hệ thống điện toán biên. Một thiết bị biên có thể thu thập thông tin cảm biến, thực hiện phân tích cục bộ hoặc chạy suy luận máy học gần quy trình. Nếu kết nối mạng hiện có không thể bao phủ khoảng cách cần thiết một cách kinh tế, việc bổ sung một giao diện vô tuyến khác có thể dễ dàng hơn so với thiết kế lại toàn bộ nền tảng biên.

Robot học có một nhóm yêu cầu kết nối khác

Robot và các thiết bị công nghiệp tự động khác là một lĩnh vực khác mà phương thức USB có thể hữu ích, dù yêu cầu kết nối thay đổi đáng kể giữa các ứng dụng. Không phải mọi liên kết truyền thông của robot đều nên chuyển sang mạng không dây tầm xa, đặc biệt khi liên quan đến điều khiển xác định hoặc thông tin an toàn.

Tuy nhiên, nhiều luồng dữ liệu thứ cấp không yêu cầu mạng không dây phải khép kín vòng điều khiển chuyển động chính. Thông tin chẩn đoán, dữ liệu tình trạng thiết bị, trạng thái sản xuất, quản lý phần mềm và thông tin cảm biến được chọn lọc đều có thể là những ứng viên cho kết nối riêng.

Một robot di động hoạt động trên toàn bộ cơ sở lớn cũng có thể vượt ra ngoài vùng phủ sóng thực tế của một điểm truy cập thông thường duy nhất. Việc mở rộng kết nối qua mạng không dây dưới GHz có thể giảm một số thách thức về vùng phủ sóng, tùy thuộc vào bố cục cơ sở và yêu cầu hiệu năng.

Vì vậy, câu hỏi kỹ thuật không phải là liệu Wi-Fi HaLow có nên thay thế mọi công nghệ không dây công nghiệp hiện có hay không. Vấn đề là liệu sự kết hợp giữa tầm xa, kết nối IP và khả năng vận hành với mức tiêu thụ điện năng thấp có phù hợp với một đường truyền cụ thể hơn các phương án thay thế hay không.

Tầm xa có thể giảm hạ tầng, nhưng việc quy hoạch RF vẫn rất quan trọng

Thông số tầm xa ở quy mô ki-lô-mét rất hấp dẫn, nhưng các khu công nghiệp hiếm khi giống môi trường thử nghiệm phòng thí nghiệm thông thoáng. Kết cấu thép, máy móc, kệ lưu trữ, bồn công nghệ và tường gia cố đều có thể ảnh hưởng đến sự lan truyền RF, trong khi các thiết bị lân cận có thể tạo ra nhiễu điện và nhiễu giao thoa.

Vì lý do đó, lợi ích thực tế của HaLow có thể là giảm số lượng điểm truy cập hoặc cải thiện vùng phủ sóng ở những khu vực khó tiếp cận, thay vì chỉ đạt khoảng cách tối đa được quảng cáo. Khảo sát hiện trường và kiểm thử lắp đặt thực tế vẫn rất quan trọng mỗi khi mạng không dây truyền dữ liệu có ý nghĩa then chốt đối với hoạt động.

Băng tần hoạt động dưới GHz cũng thay đổi theo từng khu vực, nghĩa là cần xem xét cấu hình sản phẩm và các yêu cầu quy định khi triển khai thiết bị trên phạm vi quốc tế. Các OEM công nghiệp dự định sử dụng một nền tảng cho nhiều thị trường không thể giả định rằng các thông số vô tuyến giống hệt nhau ở mọi nơi.

IP gốc giúp đơn giản hóa kiến trúc mạng

Một trong những đặc điểm quan trọng hơn của Wi-Fi HaLow đối với việc tích hợp công nghiệp là khả năng kết nối IP nguyên bản. Một số công nghệ IoT tầm xa được tối ưu hóa có chủ đích cho các mạng cảm biến tốc độ dữ liệu thấp và dựa vào gateway để chuyển đổi giữa giao thức vô tuyến và các mạng IP tiêu chuẩn.

HaLow áp dụng một cách tiếp cận khác. Các thiết bị có thể trực tiếp tham gia mạng IP, giúp việc tích hợp trở nên quen thuộc hơn với những nhóm đã quản lý hạ tầng Ethernet và Wi-Fi.

Điều này không loại bỏ nhu cầu sử dụng gateway, tường lửa hoặc định tuyến khi kiến trúc yêu cầu. Điều đó đơn giản có nghĩa là chuyển đổi giao thức không nhất thiết phải là một phần nền tảng của mọi kết nối.

Đối với các kỹ sư làm việc trên các hệ thống Truyền thông và Mạng công nghiệp, sự quen thuộc đó có thể giảm bớt một phần công việc tích hợp phần mềm thường liên quan đến việc bổ sung công nghệ vô tuyến chuyên dụng tầm xa.

MM8108 Mang Lại Dư Địa Lớn Hơn So Với Kết Nối Cảm Biến Đơn Giản

MM8108 là SoC Wi-Fi HaLow thế hệ thứ hai của Morse Micro. Công ty nêu rõ tốc độ dữ liệu PHY có thể đạt khoảng 43,3 Mbps trong các điều kiện vận hành được hỗ trợ, đưa thiết bị này vượt xa yêu cầu thông lượng của nhiều ứng dụng đo từ xa cơ bản.

Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là một hệ thống lắp đặt công nghiệp sẽ liên tục đạt tốc độ PHY tối đa, đặc biệt ở khoảng cách xa. Thông lượng ứng dụng thực tế chịu ảnh hưởng của điều kiện kênh, điều chế, chi phí giao thức và thiết kế mạng.

Tuy nhiên, điều đó giúp giải thích vì sao Morse Micro đang định vị các thiết kế USB mới cho cả AI biên lẫn kết nối IoT thông thường. Các hệ thống biên phân tán có thể tạo ra lượng thông tin lớn hơn đáng kể so với các cảm biến nhiệt độ hoặc áp suất đơn giản, đặc biệt khi ứng dụng liên quan đến chẩn đoán máy móc, hình ảnh hoặc các tập dữ liệu vận hành phong phú hơn.

USB Cũng Có Thể Đẩy Nhanh Quá Trình Tạo Mẫu

Giá trị của một thiết kế tham chiếu không chỉ nằm ở việc nâng cấp thiết bị sản xuất. Phần cứng USB cũng có thể giúp việc đánh giá ban đầu dễ dàng hơn vì các nhà phát triển không phải ngay lập tức cam kết với một bo mạch vô tuyến tùy chỉnh.

Nhà tích hợp hệ thống có thể kiểm tra vùng phủ sóng, thông lượng và hoạt động của ứng dụng bằng một máy chủ hiện có trước khi quyết định liệu thiết kế sản xuất sau này nên tiếp tục sử dụng giải pháp USB hay tích hợp MM8108 trực tiếp hơn.

Điều này làm giảm rào cản khi trả lời câu hỏi quan trọng nhất ở giai đoạn đầu: Wi-Fi HaLow có thực sự giải quyết được vấn đề kết nối tại địa điểm này không?

Nếu câu trả lời là không, đội ngũ kỹ thuật đã tránh được một nỗ lực phát triển phần cứng đáng kể. Nếu câu trả lời là có, các phép đo thu thập trong giai đoạn nguyên mẫu có thể giúp định hướng vị trí đặt ăng-ten, cấu trúc liên kết mạng và thiết kế sản phẩm trong tương lai.

Hai thiết kế tham chiếu đáp ứng hai lộ trình nâng cấp khác nhau

Sự khác biệt giữa RD09 và RD17 rốt cuộc quan trọng hơn thực tế là cả hai sản phẩm đều sử dụng USB. RD09 tích hợp HaLow như một giao diện không dây gốc và đặc biệt phù hợp với bộ định tuyến, điểm truy cập và máy tính, nơi việc hỗ trợ phần mềm chuyên dụng là khả thi.

RD17 trừu tượng hóa nhiều hơn phần tích hợp khỏi máy chủ bằng cách xuất hiện dưới dạng giao diện Ethernet CDC-NCM tiêu chuẩn. Điều đó khiến thiết bị này có thể phù hợp hơn với các thiết bị công nghiệp và nhúng, nơi việc cài đặt thêm trình điều khiển không dây là điều không mong muốn hoặc không thể thực hiện.

Cả hai phương pháp đều giải quyết cùng một vấn đề rộng hơn: một lượng lớn thiết bị đang được lắp đặt được thiết kế trước khi Wi-Fi HaLow có mặt trên thị trường, và việc thay thế các thiết bị đó chỉ để có thêm một công nghệ vô tuyến khác là điều khó biện minh.

Cơ hội lớn hơn là kết nối mà không cần thiết kế lại máy móc

Vì vậy, ý nghĩa công nghiệp của các thiết kế tham chiếu mới của Morse Micro không nằm nhiều ở chính đầu nối USB, mà ở những gì đầu nối đó giúp tránh được. Thiết bị hiện có có thể được tiếp cận mạng sub-GHz tầm xa mà không cần thiết kế lại hoàn toàn máy chủ, trong khi các nhà phát triển có thể đánh giá HaLow bằng những nền tảng phần cứng mà họ đã quen thuộc.

Điều đó có thể hữu ích cho máy tính công nghiệp, rô-bốt, thiết bị biên và hạ tầng mạng được phân bổ trong các cơ sở lớn, nơi việc mở rộng vùng phủ Wi-Fi thông thường khó khăn hoặc tốn kém. RD17 đặc biệt đáng chú ý vì cách trình bày Ethernet tiêu chuẩn giúp giảm sự phụ thuộc vào trình điều khiển không dây dành riêng cho từng máy chủ, loại bỏ một trở ngại phổ biến trong các hệ thống cũ và hệ thống nhúng.

Wi-Fi HaLow sẽ không thay thế mọi mạng công nghiệp, và mạng không dây tầm xa cũng không nên được xem là giải pháp thay thế cho hạ tầng điều khiển mang tính tất định. Vai trò mạnh nhất của công nghệ này có thể là lấp đầy khoảng trống giữa Wi-Fi thông thường tầm ngắn và các mạng IoT chuyên dụng có tốc độ dữ liệu thấp, đặc biệt ở những nơi thiết bị cần kết nối IP gốc trên một khu vực vật lý rộng hơn.

Đối với các kỹ sư công nghiệp, những thiết kế USB mới giúp việc thử nghiệm phương án này trở nên dễ dàng hơn. Thay vì bắt đầu bằng một dự án bo mạch chủ mới, mô-đun vô tuyến và tích hợp phần mềm, giờ đây thử nghiệm đầu tiên có thể bắt đầu với một cổng USB sẵn có.