Expresia „Internetul lucrurilor” (IoT) este extrem de populară în prezent, deși asociată în mod eronat în principal cu dispozitive precum și tehnologii sau WiFi. Între timp, Digi a introdus deja, în urmă cu 20 de ani, module RF eficiente din punct de vedere energetic pentru comunicații fără fir. Acestea funcționează în banda de 2,4 GHz, transmit date prin intermediul unei rețele cu topologie mesh și sunt capabile să controleze o varietate de receptoare.
Furnizate de marca Digi produsele XBee 3 reprezintă o bază gata pregătită pentru construirea de sisteme IoT complexe. Modulele din această serie:
- consumă cantități mici de energie,
- pot fi configurate în câteva minute,
- nu au nevoie de un microcontroler extern pentru a funcționa.
Mai jos prezentăm informații de bază despre aceste produse, precum și exemple de utilizare a acestora în sisteme de operare complexe. În același timp, menționăm că acest articol tratează doar o parte din gama Digi, care include și module RF care operează în benzile ISM inferioare.
În acest articol vom aborda subiecte precum:
- Diferențe între rețelele ZigBee și DigiMesh
- Caracteristicile distinctive ale modulelor xBee de la Digi
- Aplicarea rețelelor mesh în infrastructura urbană
- Sisteme comerciale, scalabile, bazate pe tehnologia IoT
Module Xbee 3
Platforma Digi Xbee este un sistem complet și scalabil. Acesta include soluții hardware, precum și instrumente software.
Principalul avantaj al mediului Xbee3 este ușurința de configurare a parametrilor rețelei create. Pentru a programa modulul, utilizați aplicația de autor XCTU® – dezvoltată de Digi și disponibilă gratuit. Prin intermediul interfeței sale grafice, firmware-ul modulului este actualizat și presetat.
În prima etapă de configurare, se selectează protocolul de operare al modulului (de exemplu, ZigBee, 802.15.4, DigiMesh). Hotărând asupra unei rețele ZigBee clasice, următorul pas este selectarea funcției pe care o va îndeplini unitatea: coordonator, router sau dispozitiv final.
- Coordonatorul este entitatea prin intermediul căreia se înființează și se gestionează rețeaua. Numai un singur dispozitiv din infrastructură poate îndeplini acest rol.
- Dispozitivele finale sunt dispozitive de acționare (senzori, controlere etc.) care trimit și primesc date și au nevoie de un router pentru a se conecta la rețea. De regulă, în cea mai mare parte a timpului, modulele se află într-o stare de putere redusă și sunt scoase din ea doar pentru transmiterea datelor.
- Routerele pot acționa ca orice dispozitiv final, dar în același timp sunt implicate în propagarea rețelei (extinderea razei de acțiune a rețelei), precum și în stocarea și rutarea datelor de la alte module. Din păcate, acestea trebuie să rămână active și nu pot fi puse într-o stare de energie scăzută.
Atenție! Această diviziune și astfel de restricții nu se aplică rețelei DigiMesh! Aici, fiecare dispozitiv funcționează independent, poate primi/transmite date către alte module și este, de asemenea, capabil să economisească energie.
Modul XBee 3 în format micro (13×19mm).
Configurarea ulterioară a echipamentului se face, de asemenea, prin intermediul XCTU®, deși aceasta nu este singura opțiune. Modulul poate fi programat folosind comenzi AT, limbajul MicroPython sau un API de la distanță (în anumite cazuri, și prin Bluetooth și o aplicație dedicată pe un telefon sau o tabletă). Deoarece dispozitivele sunt echipate cu pini GPIO și interfețe UART, I2C și SPI, practic se elimină nevoia de microcontrolere suplimentare – caz în care placa XBee va controla direct componentele.
Cu alte cuvinte, fiecare modul Digi este o platformă gata pregătită pe care se poate baza construcția unui proiect IoT. Pentru cumpărătorii care implementează soluții XBee 3, acest lucru înseamnă economii de mare amploare și accelerarea dezvoltării și prototipării de noi produse. Mai mult, clienții pot fi siguri că astfel comunicarea între dispozitive este în conformitate cu reglementările în vigoare și că produsul lor nu va cauza interferențe nedorite în banda radio.
Caracteristici și parametri de funcționare
Modulele XBee 3 disponibile în catalogul TME pot transmite la 8 dBm (seria Xbee 3) și 19 dBm (seria Xbee 3 PRO). Acestea sunt disponibile în mai multe dimensiuni, inclusiv în noul format „micro” (13×19 mm). Gama noastră include componente montate pe suprafață (SMD) sau cu conectori cu pini pentru lipire (THT) sau conectare. Toate produsele funcționează la temperaturi cuprinse între -40°C și 85°C.
În funcție de model, produsele sunt alimentate cu tensiuni în intervalul 1,71 … 3,8V sau 2,1 … 3,6V. Atunci când selectați un element, merită să acordați atenție metodei de conectare a antenei. Unele module au conectori SMA sau u.FL – altele utilizează o antenă încorporată, realizată sub forma unei piste pe PCB. A patra opțiune este de a transmite semnalul RF către câmpul „RF PAD”. Pentru o funcționare optimă (sensibilitatea receptorului -103dBm), modulele necesită conectarea unei antene proiectate pentru funcționarea în banda de 2,4 GHz.
Produsele XBee 3 susțin în mod practic criptarea datelor în standardele AES128 și AES256, ceea ce asigură o siguranță ridicată a informațiilor transmise și protejează dispozitivele împotriva accesului neautorizat.
Exemple de aplicații
Marca Digi există pe piață de suficient de mult timp pentru a se putea lăuda cu numeroasele succese pe care clienții săi le-au obținut cu ajutorul tehnologiei XBee. Să analizăm aici două cazuri de proiecte de anvergură realizate datorită tehnologiilor dezvoltate de Digi.
Iluminatul orașului și Owlet Nightshift
Un exemplu de conectare a rețelei DigiMesh la panoul de control folosind un gateway.
Primul exemplu este sistemul Owlet Nightshift, dezvoltat de compania germană Schréder din Mainz. Acesta s-a născut din nevoia de a economisi bani, atunci când creatorii proiectului au dat peste statistici care indicau că iluminatul stradal consumă până la 40% din cheltuielile de energie ale orașului. Acest buget a fost rezultatul unor metode de control al iluminatului care au dus la risipă și au fost aplicate cu larghețe. Controlul suprasimplificat a însemnat, de asemenea, că stâlpii de iluminat defecți erau reparați în principal atunci când oficialii orașului primeau rapoarte de la cetățeni despre defecțiuni ale lămpilor.
Sistemul Owlet Nightshift a fost dezvoltat pentru a permite programarea și monitorizarea lanternelor de la distanță, dar folosind infrastructura existentă. Panourile LED sunt instalate în abajururile existente, alimentate de aceleași linii care furnizau anterior energie becurilor clasice. Fiecare panou (și, prin urmare, fiecare stâlp de iluminat) are propriul modul de comunicare XBee și o sursă de alimentare controlabilă. Stâlpii de iluminat sunt grupați în segmente și conectați fără fir la un controler (Owlet Segment Controller) dezvoltat de Schréder. OSC este echipat cu un modem 2G/3G și, folosind rețeaua GSM, părți ale rețelei sunt centralizate, astfel încât programul fiecărui stâlp de iluminat poate fi actualizat de la distanță. Acest lucru elimină necesitatea controlului direct al stâlpilor de iluminat individuali, menținând în același timp controlul deplin asupra funcționării acestora.
Adaptorul USB vă permite să vă conectați laptopul direct la rețeaua Xbee.
O rețea construită în acest mod este ieftin de implementat. În plus, permite reglarea precisă a iluminării pentru a obține performanțe optime. Acest lucru duce la economii enorme (până la 90%, conform estimărilor Schréder). Mai presus de toate, intensitatea luminii poate fi reglată în funcție de necesități: nu numai de momentul zilei și de an, ci și de condițiile meteorologice. Luminile sunt aprinse în afara programului standard în zilele cu furtună și în cazul unui strat dens de nori. Relativ: iluminarea funcționează într-o măsură limitată în timpul nopților senine, datorită efectului de albedo (în timpul ninsorilor). Panoul de control primește un semnal imediat când lanternele cedează (modulul XBee notează o performanță anormală sau nu raportează din cauza unei pene de curent) – iar atunci când o lanternă cedează, celelalte pot crește temporar intensitatea luminii emise pentru a compensa și a menține condițiile de siguranță rutieră.
Monitorizarea condițiilor de depozitare și transport al alimentelor
Un al doilea exemplu de implementare pe scară largă a modulelor XBee este sistemul companiei belgiene RMONI. Sarcina sa este de a înregistra/monitoriza parametrii de control în timpul depozitării și transportului alimentelor (precum și al produselor farmaceutice). În acest domeniu, legea impune informații privind condițiile în care s-au aflat bunurile în fiecare etapă de distribuție. Acest lucru este valabil în special pentru medicamente, fructe și legume proaspete, produse lactate, carne și pește. Temperatura și umiditatea afectează în mod direct caracterul adecvat al acestora pentru consum/utilizare. Atunci când procesul de supraveghere nu este automatizat, producătorii, distribuitorii și comercianții cu amănuntul sunt nevoiți să își petreacă timpul cu personalul lor înregistrând periodic datele de la termometre și higrometre. Aici intervine sistemul marca RMONI.
Modulele XBee 3 selectate nu necesită mai mult de 40mA curent pentru transmisie.
Soluția dezvoltată de producătorul belgian combină trei elemente: senzori conectați la module de comunicare fără fir, gateway-uri de transmisie și un software de înregistrare a datelor în cloud. Senzorii sunt plasați în toate punctele în care este necesar controlul condițiilor de mediu. Deoarece modulele XBee sunt eficiente din punct de vedere energetic, astfel de înregistratoare pot fi instalate în containere, camioane și alte locuri fără acces permanent la rețeaua electrică. Nodurile de distribuție (care includ depozitele) sunt echipate cu gateway-uri de rețea fără fir, prin intermediul cărora fiecare senzor transmite informațiile colectate către o bază de date centrală. Bineînțeles, acest proces poate avea loc în timp real, de exemplu într-un spital, unde sunt monitorizate sute de puncte în care sunt stocate medicamente, sânge, alimente etc. În cazul lanțurilor de magazine multiple, supravegherea timpilor și a condițiilor de depozitare a produselor alimentare permite o mai bună gestionare a distribuției și a vânzării mărfurilor. Conform statisticilor realizate de RMONI (inclusiv exemplul supermarketurilor SPAR Lambrechts) implementarea sistemului a redus pierderile de alimente deteriorate cu 10%.
Text elaborat de Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.