Morse Micro đã giới thiệu hai thiết kế tham chiếu dạng USB 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 sẵn phần cứng Wi-Fi HaLow.

Được xây dựng trên nền tảng chip tích hợp 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, cách tiếp cận này rất đáng chú ý vì tạo ra một lộ trình nâng cấp khả thi cho máy tính, robot và thiết bị biên mà không yêu cầu nhà sản xuất phải thiết kế lại bo mạch chủ của máy chủ để tích hợp một bộ thu phát 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, khi bộ thu phát vô tuyến có thể được thiết kế tích hợp vào sản phẩm ngay từ đầu. Môi trường công nghiệp lại khác. Một nhà máy có thể đã có sẵn máy tính, thiết bị di động, robot hoặc bộ điều khiển nhúng vẫn 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 khác hiếm khi hấp dẫn. Thiết kế lại hệ thống điện tử xoay quanh một bộ thu phát vô tuyến mới cũng có thể khó khăn không kém vì phát sinh các yêu cầu 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 phần lớn kiến trúc máy chủ hiện có.

Điều đó không có nghĩa việc tích hợp luôn hoàn toàn theo kiểu cắm là chạy trong mọi ứng dụng, nhưng nó thay đổi điểm xuất phát trong kỹ thuật. Thay vì 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 trên phổ tần dưới 1 GHz thay vì các băng tần 2,4 GHz, 5 GHz và 6 GHz gắn liền với Wi-Fi phổ thông. 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 khả năng kết nối mạng IP nguyên bản.

Morse Micro cho biết các giải pháp Wi-Fi HaLow của họ có thể cung cấp kết nối mạng ở khoảng cách lên tới xấp xỉ một kilômét, mặc dù tầm hoạt động thực tế trong môi trường công nghiệp sẽ 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.

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

Điểm hấp dẫn không chỉ nằm ở phạm vi phủ sóng tối đa. Wi-Fi HaLow còn được thiết kế cho hoạt động IoT tiêu thụ điện năng thấp, đồng thời vẫn duy trì mô hình kết nối mạng dựa trên IP quen thuộc. Điều này 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 này cũng hỗ trợ các thiết bị máy khách. Morse Micro liệt kê khả năng hỗ trợ trình điều khiển gốc cho Windows và Linux, cùng một ứng dụng macOS, cho phép các máy tính thông thường kết nối với mạng Wi-Fi HaLow thông qua thiết bị USB.

Từ góc độ tích hợp công nghiệp, đây là một kiến trúc tương đối quen thuộc: hệ điều hành nhận diện bộ chuyển đổi 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 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 chuyển đổi Wi-Fi HaLow chuyên dụng cùng trình điều khiển tương ứng, thiết bị dongle tự nhận diện là một giao diện Ethernet CDC-NCM tiêu chuẩn.

Vì vậy, đối với máy chủ, kết nối này trông giống một giao diện mạng thông thường hơn nhiều. Morse Micro gọi RD17 là “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 riêng của Morse Micro trên máy chủ.

Sự khác biệt này rất quan trọng trong các hệ thống công nghiệp, nơi môi trường phần mềm có thể được kiểm soát chặt chẽ. Máy tính công nghiệp có thể chạy một image hệ điều hành đã được kiểm định 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 đặc biệt xác định máy tính công nghiệp và rô-bốt là các ứng dụng mục tiêu, cùng với thiết bị đầu cuối 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” có thể dễ dàng 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 nếu đã hỗ trợ giao diện Ethernet CDC-NCM tiêu chuẩn.

Vẫn cần xem xét cấu hình mạng, xác thực, định địa chỉ và giao tiếp ở cấp ứng dụng. 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 phương thức quản lý thiết bị.

RD17 hỗ trợ Wi-Fi Easy Connect, còn được gọi là Giao thức cấp phép thiết bị, cùng với 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 thủ công thông tin xác thực không dây thông qua một 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 năng vô tuyến. Một liên kết không dây có năng lực về kỹ thuật sẽ trở nên khó vận hành trên quy mô lớn nếu mỗi đầu 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 tiếp tục được sử dụng lâu hơn nhiều so với thiết bị điện toán dành cho người tiêu dùng. Bộ xử lý, giao diện I/O và phần mềm của chúng vẫn có thể 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 giải pháp khả thi để mở rộng các hệ thống đó mà không cần thay thế 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 Điện toán công nghiệp, trong đó 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 từ 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 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 đặt ra một nhóm yêu cầu kết nối khác

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

Tuy nhiên, có nhiều luồng dữ liệu phụ 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 một số thông tin cảm biến có thể là ứng viên cho kết nối riêng.

Một robot di động hoạt động trong một cơ sở lớn cũng có thể di chuyển 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 1 GHz có thể giảm bớt một số thách thức về vùng phủ sóng, tùy thuộc vào bố cục địa điểm và yêu cầu hiệu năng.

Do đó, 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. Mà là liệu sự kết hợp giữa tầm phủ sóng, mạng IP và khả năng hoạt động với mức tiêu thụ điện thấp của nó có phù hợp với một đường truyền cụ thể hơn các phương án khác hay không.

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

Thông số phạm vi phủ sóng ở quy mô hàng kilômét rất hấp dẫn, nhưng các cơ sở công nghiệp hiếm khi giống môi trường thử nghiệm phòng thí nghiệm thông thoáng. Kết cấu thép, máy móc, giá lưu trữ, bồn công nghệ và tường gia cố đều có thể ảnh hưởng đến sự lan truyền RF, trong khi các thiết bị ở gần có thể tạo ra nhiễu điện và nhiễu xuyên âm.

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 phủ sóng, thay vì chỉ đạt khoảng cách tối đa được quảng cáo. Khảo sát địa điểm và thử nghiệm lắp đặt thực tế vẫn rất quan trọng whenever mạng không dây truyền dữ liệu quan trọng đối với hoạt động.

Băng tần dưới 1 GHz cũng khác nhau tùy khu vực, nghĩa là cần cân nhắc cấu hình sản phẩm và các yêu cầu quy định khi triển khai thiết bị trên phạm vi quốc tế. Các nhà sản xuất thiết bị công nghiệp (OEM) dự định sử dụng một nền tảng cho nhiều thị trường không thể mặc định rằng các thông số vô tuyến đều giống nhau ở mọi nơi.

IP nguyên bản 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 sử dụng một cách tiếp cận khác. Các thiết bị có thể trực tiếp tham gia mạng IP, nhờ đó việc tích hợp có thể trở nên quen thuộc hơn với các đội ngũ vốn đã quản lý hạ tầng Ethernet và Wi-Fi.

Điều này không loại bỏ nhu cầu sử dụng cổng kết nối, tường lửa hoặc định tuyến khi kiến trúc yêu cầu. Nó chỉ có nghĩa là việc chuyển đổi giao thức không nhất thiết phải là phần cốt lõi của mọi kết nối.

Đối với các kỹ sư làm việc với các hệ thống Truyền thông và Kết nối mạng công nghiệp, sự quen thuộc đó có thể giảm bớt một phần công việc tích hợp phần mềm thường đi kèm với việc bổ sung công nghệ vô tuyến chuyên dụng tầm xa.

MM8108 Cung Cấp 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 công bố tốc độ dữ liệu PHY đạt khoảng 43.3 Mbps trong các điều kiện vận hành được hỗ trợ, đưa thiết bị này vượt xa yêu cầu về thông lượng của nhiều ứng dụng đo từ xa cơ bản.

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, phương thức điều chế, chi phí giao thức và thiết kế mạng.

Tuy nhiên, điều này giúp giải thích tại sao Morse Micro đang định hướng các thiết kế USB mới cho cả AI biên lẫn kết nối IoT truyền thống. 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 Nguyên Mẫu

Giá trị của một thiết kế tham chiếu không chỉ giới hạn ở việc cải tiến thiết bị sản xuất. Phần cứng USB cũng có thể giúp việc đánh giá ban đầu trở nên 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 phương án 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 định hướng việc bố trí ăng-ten, cấu trúc liên kết mạng và thiết kế sản phẩm trong tương lai.

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

Sự khác biệt giữa RD09 và RD17 rốt cuộc quan trọng hơn việc cả hai sản phẩm đều sử dụng USB. RD09 tích hợp HaLow như một giao diện không dây nguyên bản 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 tách phần lớn hơn của quá trình 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 hệ thống nhúng, nơi việc cài đặt thêm trình điều khiển không dây là điều không mong muốn hoặc không thể thực hiện.

Cả hai phương án đều giải quyết cùng một vấn đề rộng hơn: một cơ sở thiết bị được lắp đặt quy mô lớn đã 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 bản thân đầu nối USB, mà ở những gì đầu nối này giúp tránh được. Thiết bị hiện có có thể được kết nối với mạng tầm xa băng tần dưới GHz 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 các máy tính công nghiệp, robot, thiết bị biên và hạ tầng mạng phân bố 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 phương thức kết nối Ethernet tiêu chuẩn giúp giảm sự phụ thuộc vào trình điều khiển không dây riêng của 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 cũng không nên xem mạng không dây tầm xa là giải pháp thay thế cho hạ tầng điều khiển mang tính tất định. Vai trò lớn 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 nguyên bản trên một khu vực vật lý rộng hơn.

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