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Schnelle Implementierung eines entfernten industriellen IoT-Mobilfunkendpunkts unter Verwendung eines LTE-Mikrocontrollers und Routers

Von Bill Giovino

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

In dem Maße, wie die Anwendungen des Internet der Dinge (IoT) expandieren, muss auch die Reichweite der zugehörigen Netzwerke zunehmen. Während Wi-Fi, Bluetooth und Zigbee für eine bequeme drahtlose Vernetzung in der Nähe oder innerhalb einer Industrieanlage zur Verfügung stehen können, erfordern einige industrielle IoT-Netzwerke (IIoT) die Fernüberwachung und -steuerung von Systemen im Feld, die viele Kilometer entfernt oder weit verstreut sein können - oft an Orten, die für Wartungstechniker nur schwer und zeitaufwändig zu erreichen sind. Für diese Situationen ist die Mobilfunkvernetzung die beste drahtlose Lösung.

Dieser Artikel erläutert die Notwendigkeit der Datenfernüberwachung und -steuerung über Mobilfunk in einigen IIoT-Anwendungen, die viele Kilometer entfernt sind, und beschreibt die Vorteile eines entfernten IIoT-Knotens, der bei minimaler oder gar keiner Wartung Strom sparen muss. Anschließend wird ein zellularer Mikrocontroller von Nordic Semiconductor vorgestellt, der Daten über ein LTE-Netzwerk an einen auf einer DIN-Schiene montierten zellularen Router von Phoenix Contact übertragen kann.

Erweitertes IIoT-Netzwerk

Konventionelle IIoT-Netzwerke sind an einem einzigen Ort angesiedelt, wie z.B. in einer Produktionsstätte, einem automatischen Lager oder einem Außenpark. Die Vernetzung mit dem Hub kann wie bei industriellem Ethernet verkabelt oder wie bei Wi-Fi oder Zigbee drahtlos erfolgen. Dies wird einfach von einem zentralen Standort aus verwaltet, von dem aus der Standort der Endpunkte im IIoT-Netz leicht zugänglich ist, was eine effiziente Wartung oder einen effizienten Austausch ermöglicht.

Mit der Ausweitung des IIoT haben sich auch die Anwendungsfälle erweitert. Um die Effizienz und die unmittelbare Kontrolle der Netzwerke zu erhöhen, müssen die Manager der Einrichtungen die entfernten Systeme mit minimaler Latenzzeit zwischen dem entfernten System und dem Hub in der Zentrale aktiv überwachen und steuern. Transportsysteme wie Züge, U-Bahnen und zwischenstaatliche Lastkraftwagen können durch die Überwachung verschiedener Sensoren am Motor oder Elektromotor zusammen mit dem Kraftstoff- und Energieverbrauch, der Geschwindigkeit und der Entfernung sowie der GPS-Positionierung zur Verfolgung des Standorts und zur Schätzung der Zeit bis zum Zielort profitieren. Diese Daten werden an die Haupteinrichtung oder den Hauptsitz des Unternehmens geschickt und analysiert. Die Daten können fast sofort genutzt werden, um Zeit und Geld zu sparen, indem die Effizienz verbessert und Ausfälle vermieden werden, wodurch die Kosten gesenkt und die Zuverlässigkeit erhöht wird.

Öl- und Gaspipelines profitieren von der IIoT-Vernetzung durch die Überwachung von Volumen und Druck in der Pipeline zusammen mit den Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Barometeranzeigen und Feuchtigkeit. Eine präzise GPS-Ortung zusammen mit Vibrations- und Gyroskopsensoren kann Bewegungen auf der Pipeline aufgrund externer Kräfte, wie z.B. seismische Ereignisse, erkennen. In einigen Fällen kann der Durchfluss durch die Pipeline als Reaktion auf eine erkannte Notsituation, wie z.B. ein Erdbeben, aus der Ferne eingeschränkt oder gestoppt werden. Die Geräte können eine Selbstdiagnose durchführen und die Ergebnisse zur Analyse an das Werk senden. Da diese Pipelines in rauen Umgebungen wie dem Polarkreis viele tausend Kilometer vom Hauptsitz entfernt liegen können, ist es wichtig, dass der Endpunkt über ein absolut zuverlässiges Kommunikationsnetz verfügt.

Eingabe des zellulären IoT

Um diesen Bedürfnissen gerecht zu werden, hat sich die IIoT-Vernetzung auf die Übertragung von Daten über bestehende zellulare Langzeit-Entwicklungsnetzwerke (LTE) ausgedehnt. Dadurch kann ein IIoT-Endpunkt fast überall auf der Welt platziert werden, wo LTE-Konnektivität verfügbar ist, solange eine Stromquelle angelegt und gewartet werden kann, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass die Kosten und der Aufwand für die Wartung des Mobilfunknetzes in der Verantwortung der Mobilfunkbetreiber liegen. Da sich diese Systeme an entfernten, nicht überwachten und schwer zugänglichen Orten befinden können, muss der entfernte zellulare IIoT-Endpunkt zuverlässig und widerstandsfähig gegen Hacking oder physische Manipulationen sein.

Der erste Schritt hin zu einem zuverlässigen eingebetteten System für IIoT besteht darin, das System einfach zu halten und gleichzeitig den Stromverbrauch zu minimieren. Die Einfachheit des Systems reduziert die Anzahl der Fehlerpunkte. Die Senkung des Stromverbrauchs verbessert die Zuverlässigkeit durch die Reduzierung der Wärme, was die Lebensdauer der meisten Halbleiterbauelemente verlängert und die Lebensdauer der batteriebetriebenen IIoT-Endpunkte verbessert.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, hat Nordic Semiconductor den zellularen IoT-Mikrocontroller nRF9160 LTE eingeführt. Der nRF9160 vereinfacht die Entwicklung von Zellular-IIoT-Endpunkten durch die Integration eines kompletten On-Chip-LTE-Modems, das den neuesten Zellular-IoT- und Machine-to-Machine-Datenstandards (M2M) entspricht (Abbildung 1).

Diagramm des zellularen Mikrocontrollers Nordic Semiconductor nRF9160 LTE (zum Vergrößern anklicken)<Abbildung 1: Der zellulare Mikrocontroller nRF9160 von Nordic Semiconductor LTE basiert auf dem Arm® Cortex®-M33-Kern. Es verfügt über alle Peripheriegeräte, die zum Aufbau eines zellularen IoT-Endpunkts erforderlich sind, einschließlich eines LTE-Modems und eines GPS-Moduls. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Der Nordic Semiconductor nRF9160 basiert auf einem 64 Megahertz (MHz) Arm Cortex-M33 Prozessorkern, der speziell auf IoT-Anwendungen mit geringer Leistung ausgerichtet ist. Der Cortex-M33 unterstützt Single-Cycle-Multiplikations- und Akkumulationsoperationen (MAC) und verfügt über Single-Precision-Floating-Point-Unit (FPU)-Instruktionen, eine Hardware-Division und Single-Instruction-Multiple-Data-Operationen (SIMD). Dies ist nützlich für die schnelle Verarbeitung von Sensordaten wie bei Sensorfusionsberechnungen. Der Cortex-M33 ist selbst beim Ein- und Ausstieg in und aus dem Niedrigleistungsbetrieb hochgradig deterministisch und unterstützt den Echtzeitbetrieb.

Der Mikrocontroller nRF9160 verfügt über 1 Megabyte (Mbyte) On-Chip-Flash für die Anwendungs-Firmware und 256 Kilobyte (Kbytes) RAM mit geringer Verlustleistung. Es verfügt über ein Arm-TrustZone-Teilsystem für kryptographische Operationen einschließlich AES-Verschlüsselung, einen echten Zufallszahlengenerator (TRNG) und eine sichere Passwortverwaltung. Dies ist nützlich für die Verifizierung verschlüsselter Datenkommunikation sowie für die Erkennung von Firmware-Manipulationen. Zu den seriellen On-Chip-Standardschnittstellen gehören SPI-, I2C- und UART-Ports zur Anbindung externer Sensoren und Aktoren. Ein achtkanaliger, nativer 12-Bit (14-Bit mit Überabtastung) Analog-Digital-Wandler (ADC) ist für das Lesen analoger Sensoren nützlich.

Der nRF9160 verfügt auch über einen On-Chip-GPS-Empfänger, der für IoT-Endpunkte mit geringem Stromverbrauch optimiert ist. Dies ist besonders nützlich für mobile Endpunkte wie Lastwagen und Züge. Sie ist auch nützlich für Systeme, die sich aufgrund seismischer Aktivitäten unbeabsichtigt in ihrer Position verschieben können, oder zur Erkennung von absichtlichen Bewegungen, wenn der Endpunkt auf einer beweglichen Vorrichtung wie z.B. einer Roboterausrüstung montiert ist. Der GPS-Empfänger teilt sich den On-Chip-HF-Transceiver mit dem LTE-Modem. Wenn sowohl das LTE-Modem als auch der GPS-Empfänger aktiv sind, wird der gemeinsame HF-Transceiver mit dem GPS-Modul und dem LTE-Modem zeitmultiplext, wobei das LTE-Modem Vorrang hat.

Das LTE-Modem auf dem nRF9160 besteht aus einem Host-Steuerprozessor mit dediziertem Flash- und RAM-Speicher, einem Basisbandprozessor, einem HF-Transceiver mit externem 50-Ohm-Antennenpin (Ω) und einer SIM-Karten-Schnittstelle. Für eine erhöhte Zuverlässigkeit der Kommunikation verfügt das LTE-Modem über eine eigene Diagnose und Fehlererkennung. Das LTE-Modem unterstützt M2M- und IoT-Datenkommunikationsprotokolle mit geringem Stromverbrauch, einschließlich Cat-M1, Cat-NB1 und Cat-NB2.

Für den Datenaustausch über ein LTE-Netz benötigt das LTE-Modem eine Standard-SIM-Karte mit dem Mobilfunknetz, der Telefonnummer und den Teilnehmerinformationen. Der LTE-Hostprozessor nRF9160 verfügt über eine externe UICC-Schnittstelle (Universal Integrated Circuit Card), auch SIM-Karten-Schnittstelle genannt, für den Anschluss an jede aktivierte SIM-Karte, die mit den LTE-M- oder Schmalband-IoT-Datenübertragungsstandards (NB-IoT) kompatibel ist.

Jeder nRF9160 LTE-Endpunkt erfordert den Kauf einer SIM-Karte mit einem entsprechenden Datenplan von einem Mobilfunkanbieter. Eine SIM-Karte und ein Mobilfunk-Datenplan für vernetzte IoT-Geräte können bequem bei Digi-Key erworben werden. Es sind Pläne mit Datenkapazitäten von 300 Kbytes bis zu 5 Gigabyte (Gbytes) pro Monat erhältlich.

Der nRF9160 kann mit 3,0 bis 5,5 Volt betrieben werden, wodurch er für den Einsatz mit batteriebetriebenen IIoT-Endpunkten mit einer 3,7-Volt-Lithiumbatterie geeignet ist. Der Betrieb bei 3,7 Volt wird empfohlen, da die meisten Gerätespezifikationen bei einer Versorgungsspannung von 3,7 Volt liegen. Die meisten Leistungsbereiche für die Peripheriegeräte und Prozessormodule des nRF9160 sind konfigurierbar, und die Stromversorgung kann unter Kontrolle der Firmware ein- und ausgeschaltet werden. Dies ermöglicht es den Entwicklern, die aktuelle Auslosung auf spezifische Anwendungsanforderungen abzustimmen.

Der nRF9160 verfügt über einen Energiesparmodus (PSM), der den Kern in den Leerlauf versetzt (Kernregisterzustände bleiben erhalten), das LTE-Modem und die meisten Peripheriegeräte ausschaltet. Für einen IIoT-Endpunkt, der die Zeit verfolgen muss, nimmt der nRF9160 mit der RTC im PSM nur 2,35 Mikroampere (µA) auf, eine beeindruckend niedrige Stromaufnahme für ein batteriebetriebenes Gerät.

Das GPS-Modul zieht bei kontinuierlicher Verfolgung beachtliche 47 Milliampere (mA). Es ist jedoch praktischer, das GPS im PSM zu betreiben, da es nur 12 mA zusätzlich verbraucht. Dies wäre angemessen für Züge oder Lastwagen, die eine kontinuierliche Echtzeit-Ortung erfordern. Ein noch sparsamerer Modus ist die Konfiguration des GPS so, dass alle zwei Minuten ein Single-Shot-Fix gemacht wird, was nur 1,3 mA erfordert. Dies ist für feste Knoten geeignet, die nur gelegentliche Bewegungen erkennen müssen.

Bei der Kommunikation mit einem beliebigen LTE-M-Protokoll kann der nRF9160 Daten mit einer Geschwindigkeit von bis zu 375 Kilobit pro Sekunde (kbps) übertragen. Das NB-IoT-Protokoll mit niedrigerer Datenrate ist bis zu 60 kbps schnell. Diese niedrigen Datenraten sparen Energie und sorgen gleichzeitig für eine zuverlässige Kommunikation zwischen dem Endpunkt und dem Hub. Das LTE-Modem unterstützt auch die Transportschicht-Sicherheit (TLS), die eine sichere, verschlüsselte Kommunikation ermöglicht, um Man-in-the-Middle-Angriffe oder das unbefugte Abfangen von übertragenen Daten zu verhindern.

Der nRF9160 arbeitet bei Temperaturen von -40 bis +85°C und ist somit für extrem kalte und sehr heiße Umgebungen geeignet.

Das LTE-Funkgerät liefert bis zu 23 Dezibel Referenz auf 1 Milliwatt (mW) (dBm) Ausgangsleistung zur Antenne. Es ist mit IPv4 und dem neuesten IPv6 kompatibel, so dass es ohne die Einschränkungen von IPv4 leicht auf neue IP-Adressen erweitert werden kann. Das LTE-Modem unterstützt auch SMS-Textnachrichten. Dadurch kann der IIoT-Endpunkt ähnlich wie ein Mobiltelefon Textdaten senden und empfangen, nur dass die Nachrichten statt "Hallo" zu sagen, zum Empfang von Sensordaten und zum Senden von Betriebsbefehlen verwendet werden können.

Entwicklung von LTE-Endpunkten

Zur Unterstützung der Entwicklung des nRF9160 liefert Nordic Semiconductor das Nordic Thingy:91 Nordic Thingy Entwicklungsboard für Zellen (Abbildung 2). Die Tafel wird bequem als Bausatz in einer leuchtend orangefarbenen Schachtel geliefert, die sich fast ohne weiteres für eine schnelle Implementierung einsetzen lässt.

Bild von Nordic Semiconductor nRF6943 Thingy:91, ein vollwertiger zellularer EntwicklungskitAbbildung 2: Der Nordic Semiconductor nRF6943 Thingy:91 ist ein vollwertiges zellulares Entwicklungskit mit einer Vielzahl von Sensoren und Pins zum Anschluss an externe Geräte. Es hat einen SIM-Kartensockel für eine Teilnehmer-SIM-Karte. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Das Entwicklungskit nRF6943 wird mit einem wiederaufladbaren Lithium-Polymer-Akku mit 1400 Milliampere-Stunden (mAh) geliefert, der über den verfügbaren USB-Anschluss aufgeladen wird. Der USB-Port wird auch zum Anschluss des nRF6943 an einen PC zur Firmware-Entwicklung, Programmierung und Fehlersuche verwendet.

Das Entwicklungskit nRF6943 Thingy:91 wird mit einer Reihe von Bordsensoren geliefert, darunter ein Beschleunigungsmesser mit geringem Stromverbrauch, ein Beschleunigungsmesser mit hohem G-Wert, ein Licht- und Farbsensor und ein Strommessanschluss. Ein Umgebungssensor erfasst Temperatur, Feuchtigkeit, Luftqualität und Luftdruck. Für den Anschluss zusätzlicher externer Sensoren sind einzelne Port-Pins verfügbar. Darüber hinaus treibt der nRF9160 vier Leistungs-MOSFETs an, die zur Ansteuerung kleiner Gleichstrommotoren oder Hochstrom-LEDs verwendet werden können. Ein magnetischer Summer und drei RGB-LEDs geben während der Entwicklung akustisches und visuelles Feedback. Es gibt auch zwei Drucktasten, die über die Anwendungs-Firmware programmierbar sind.

Verbindung mit dem Hauptquartier

Ein IIoT nRF9160-Endpunkt kann überall auf der Welt platziert werden, wo eine LTE-Verbindung verfügbar ist. Der IIoT-Zellularendpunkt kann Daten über das Zellularnetz eines Mobilfunkanbieters mit dem Headquarter-Hub an einen Zellularrouter wie den Phoenix Contact 1010464 4G LTE-Router übertragen (Abbildung 3).

Bild des Phoenix Contact 1010464 Mobilfunk-RoutersAbbildung 3: Der Phoenix Contact 1010464 Cellular Router ist ein industrieller 4G-LTE-Router mit integrierter Firewall und Unterstützung für ein virtuelles privates Netzwerk (VPN). (Bildquelle: Phoenix Contact)

Dieser Phoenix Contact 1010464 4G LTE-Router wurde für raue Industrieumgebungen entwickelt und wird an das AT&T U.S.A. Mobilfunknetz angeschlossen. Auf der Rückseite befindet sich ein SIM-Steckplatz für eine Teilnehmer-SIM-Karte. Der Router ist auf einer DIN-Schiene montiert und lässt sich mit einem Minimum an Hardware-Konfiguration bequem in ein bestehendes DIN-Schienensystem integrieren. Der Standort des Routers muss es ihm ermöglichen, ein klares Mobilfunksignal zu empfangen. Sowohl die IIoT-Endpunkt-Firmware als auch dieser Mobilfunk-Router müssen mit den Telefonnummern der einzelnen SIM-Karten konfiguriert werden, damit sie sicher und effizient kommunizieren können. Der LTE-Router verfügt über eine Firewall für zusätzliche Sicherheit und kann nicht autorisierte LTE-Zugriffe von nicht autorisierten Telefonnummern sowie verdächtige Pakete, die von autorisierten Nummern stammen, leicht ausblenden. Die VPN-Unterstützung ermöglicht eine sicherere Datenkommunikation. Der LTE-Zellularrouter hat einen Vier-Port-Switch an der Vorderseite und kommuniziert mit dem lokalen Netzwerk über Ethernet.

Diese Kombination aus einem IIoT-Endpunkt mit geringem Stromverbrauch und einem LTE-Zellularrouter ermöglicht eine einfache Kommunikation zwischen dem Hauptsitz und dem industriellen Endpunkt, wobei die Kommunikationsgeschwindigkeit nur durch die verfügbare Bandbreite des Zellularnetzes begrenzt ist.

Fazit

Wie gezeigt, lassen sich IIoT-Netzwerke leicht auf Endpunkte überall auf der Welt erweitern. Die Verwendung eines Mikrocontrollers mit niedrigem Stromverbrauch und einem integrierten LTE-Mobilfunkmodem spart Zeit und Design-Kosten und kann, sobald er richtig konfiguriert ist, 24 Stunden am Tag Daten an einen Mobilfunkrouter am Hauptsitz übertragen.

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Über den Autor

Bill Giovino

Bill Giovino ist Elektronikingenieur mit einem BSEE von der Syracuse University und einer der wenigen, die erfolgreich vom Entwicklungsingenieur über den Anwendungsingenieur zum Technologiemarketing wechselten.

Seit über 25 Jahren wirbt Bill für neue Technologien vor technischem und nicht-technischem Publikum für viele Unternehmen, darunter STMicroelectronics, Intel und Maxim Integrated. Während seiner Zeit bei STMicroelectronics trug Bill dazu bei, die frühen Erfolge des Unternehmens in der Mikrocontroller-Industrie voranzutreiben. Bei Infineon inszenierte Bill die ersten Erfolge des Unternehmens im Bereich Mikrocontroller-Design in den USA. Als Marketingberater für sein Unternehmen CPU Technologies hat Bill vielen Unternehmen geholfen, unterbewertete Produkte in Erfolgsgeschichten zu verwandeln.

Bill war zudem ein früher Anwender des Internets der Dinge, einschließlich der Implementierung des ersten vollständigen TCP/IP-Stacks auf einem Mikrocontroller. Die Botschaft von „Verkauf durch Aufklärung“ und die zunehmende Bedeutung einer klaren, gut geschriebenen Kommunikation bei der Vermarktung von Produkten im Internet sind Bills Anliegen. Er ist Moderator der beliebten „Semiconductor Sales & Marketing Group“ auf LinkedIn und spricht fließend B2E.

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Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key