Connettività di rete dei sensori nelle strutture di automazione industriale già esistenti con un gateway multiprotocollo LoRaWAN

L'Internet delle cose industriale (IIoT) continua ad espandersi, trascinando con sé l'ampliamento dei tipi di tecnologie di rete utilizzati per collegare sistemi diversi. Per la connettività di rete cablata, Ethernet (e la sua variante Industrial Ethernet) è l'interfaccia più diffusa, in virtù della sua versatilità e della sua capacità di eseguire protocolli diversi. Per i dati wireless ad alta velocità, Wi-Fi è diventato lo standard per la connettività di rete veloce e affidabile, mentre Bluetooth è utilizzato per alcuni sensori e per configurare le apparecchiature.

Bluetooth opera però nella banda dei 2,45 GHz, mentre Wi-Fi opera anche in quella dei 5 GHz. Di conseguenza, gli spessi muri degli edifici tradizionali possono ridurre in modo significativo la portata delle trasmissioni Wi-Fi e Bluetooth, rispetto a radio come LoRaWAN che operano nelle bande sub-GHz. Questo compromette la connettività dei sensori e di conseguenza fa salire i costi, in quanto occorre predisporre più punti di accesso o di aggregazione in tutta la struttura per impedire che i dispositivi perdano la connessione wireless.

Questo articolo spiega perché potrebbe essere necessario aggiungere la connettività dei sensori LoRaWAN agli impianti di automazione industriale che dispongono già di Wi-Fi e Bluetooth. Prende in esame i vantaggi offerti da LoRaWAN negli edifici più vecchi e negli ambienti preesistenti che devono essere adattati per l'automazione industriale e la gestione degli edifici. Infine, presenta due gateway LoRaWAN di Multi-Tech Systems capaci di gestire facilmente la connettività di rete dei dati Wi-Fi, quella dei sensori LoRaWAN e quella Bluetooth, mantenendo la retrocompatibilità.

Come aggiungere la connettività wireless negli edifici più vecchi

A seguito dell'espansione di IIoT, anche in alcuni edifici più vecchi si è reso necessario implementare la connettività di rete IIoT. Tuttavia la loro costruzione risale a un tempo in cui nessuno si preoccupava della trasmissione dei dati in modalità wireless al loro interno. Muri, pavimenti e soffitti spesso hanno reti in acciaio, tondini e pesanti travi di acciaio di rinforzo che bloccano i segnali radio ad alta frequenza, impedendo quindi l'accesso alla rete da parte di alcune apparecchiature.

In alcuni casi, la connettività attraverso un muro può essere adeguata a meno che vicino ad esso non vengano posizionati un carrello elevatore o altre attrezzature pesanti che la bloccano temporaneamente. Per i protocolli wireless ad alta frequenza come Wi-Fi e Bluetooth, questo rappresenta un problema. La diagnosi di queste situazioni di connettività borderline intermittente è l'incubo dei tecnici delle reti.

Di conseguenza, in questi edifici potrebbe essere necessario aggiungere altri router, switch di rete e gateway che aumentano la complessità della rete, fanno salire i costi, la manutenzione e i problemi di interoperabilità.

La situazione è particolarmente problematica nel caso dei sensori remoti che possono essere posizionati a diverse decine di metri dal gateway o dal router. Alcuni sensori, come quelli ambientali, non hanno però bisogno di trasmettere in continuazione il proprio stato su una rete wireless ad alta velocità e possono tranquillamente utilizzare frequenze sub-GHz senza alcun intasamento della rete e senza entrare in competizione con altri segnali.

In questi casi, il protocollo wireless LoRaWAN a bassa potenza sub-GHz è un'opzione affidabile. LoRaWAN trasmette sul campo di frequenza da 902 a 928 MHz negli USA e da 863 a 870 MHz nell'UE. È rivolto a sensori a bassa potenza e bassa velocità di trasmissione dati che non necessitano di connessioni dati costanti. Inoltre, e questo è l'aspetto più importante, le bande di frequenza operative più basse di LoRaWAN lo rendono idoneo per gli edifici più vecchi con spessi muri rinforzati, perché il segnale trasmesso passa facilmente attraverso il legno, il muro a secco, il cemento e l'acciaio.

Tuttavia, se la struttura industriale utilizza Wi-Fi, Bluetooth e LoRaWAN, è importante integrare tutti e tre questi protocolli in modo da garantire affidabilità e interoperabilità e ridurre allo stesso tempo i costi di manutenzione.

Configurazione di LoRaWAN per IIoT

In genere, i segnali Wi-Fi sono collegati all'hub centrale di una struttura industriale attraverso uno switch di rete o un router, che converte i dati su Ethernet cablata. Questa conversione è relativamente facile perché Wi-Fi ed Ethernet sono protocolli compatibili. LoRaWAN non è però compatibile con Ethernet, quindi i dati non possono essere trasmessi. Perché i dati LoRaWAN raggiungano l'hub centrale, devono prima arrivare a un gateway compatibile. Un gateway compatibile con LoRaWAN è configurato per inoltrare i dati su una connessione backhaul a un hub centrale Windows o Linux che esegue l'applicazione LoRaWAN Network Server (LNS). L'applicazione LNS elabora i dati e li espone al sistema operativo dell'hub tramite le interfacce di programmazione di applicazioni (API) disponibili per il software applicativo.

Un gateway multiprotocollo LoRaWAN progettato per strutture industriali difficilmente penetrabili è MTCDT-247A-915-US-EU-GB di Multi-Tech Systems (Figura 1). Questo gateway è rivolto agli ambienti industriali e può funzionare a temperature comprese tra -30 °C e +70 °C e con un'umidità relativa fino al 90% (senza condensa).

MTCDT-247A-915-US-EU-GB è configurato per le frequenze di LoRaWAN per gli Stati Uniti e non può essere utilizzato in altre regioni. MTCDT-247A-915-US-EU-GB supporta Wi-Fi, Bluetooth e LoRaWAN.

Figura 1: MTCDT-247A-915-US-EU-GB di Multi-Tech Systems è un router Wi-Fi e un gateway LoRaWAN per ambienti industriali. Opera sull'intervallo delle frequenze di LoRaWAN per gli Stati Uniti tra 902 e 928 MHz e supporta anche la connettività Bluetooth. (Immagine per gentile concessione di Multi-Tech Systems Inc.)

Questo gateway Conduit supporta la connettività di rete LoRaWAN nella banda dei 915 MHz per gli Stati Uniti. Utilizza un'interfaccia basata su browser per configurare il forwarder di pacchetti LoRaWAN indirizzati a LNS. I sensori LoRaWAN posizionati all'interno della struttura industriale possono facilmente collegarsi a un gateway Conduit a molte centinaia di metri di distanza, anche attraverso le pareti e i pavimenti in cemento armato presenti nei vecchi edifici. Ma anche gli edifici moderni hanno punti bui dove i segnali wireless non arrivano. Questo problema si presenta sempre con edifici di grandi dimensioni e non lo si può evitare. Per questo motivo, per assicurare una copertura completa si consiglia di installare almeno due gateway LoRaWAN. L'applicazione LNS risolve qualsiasi problema quando si ricevono pacchetti di dati identici da due o più gateway Conduit.

L'interfaccia del browser può essere utilizzata anche per configurare il punto di accesso Wi-Fi. MTCDT-247A-915-US-EU-GB può fornire punti di accesso Wi-Fi per una struttura industriale a 2,45 GHz e 5 GHz per i protocolli 802.11a/b/g/n. Il gateway include un'antenna Wi-Fi.

L'interfaccia del browser può anche configurare il punto di accesso Bluetooth per la connessione a dispositivi Bluetooth compatibili. Bluetooth Classic è supportato per dispositivi Bluetooth sempre attivi ad alta velocità di trasmissione dati. Per dispositivi Bluetooth alimentati a batteria come tablet, laptop e alcuni sensori, è supportato Bluetooth LE 4.1.

La connettività di rete e il backhaul al server principale avvengono tramite Ethernet 10/100BaseT cablato su un connettore femmina RJ45 sul retro.

MTCDT-247A-915-US-EU-GB supporta anche il sistema di navigazione satellitare globale (GNSS). Può essere utilizzato per il posizionamento globale ma, cosa ancora più importante, il GNSS fornisce una base temporale accurata per le marcature temporali dei pacchetti LoRaWAN, richiesta dallo standard LoRaWAN per garantire la sincronizzazione dei messaggi.

MTCDT-247A-915-US-EU-GB combina la connettività LoRaWAN per gli Stati Uniti, Wi-Fi e all'hub Bluetooth in un unico gateway, fornendo un punto centrale di gestione di tutti e tre i protocolli wireless e semplificando la connettività di rete. Il gateway è progettato in modo che i tre protocolli non interferiscano tra loro.

Per l'UE, Multi-Tech Systems fornisce il gateway MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB, che è identico alla versione statunitense tranne per il fatto che opera nella banda del LoRaWAN UE di 868 MHz, da 863 a 870 MHz, e supporta inoltre la connettività cellulare 4G-LTE per il backhaul. Per un funzionamento economico in aree non servite dai moderni standard cellulari, il gateway può inviare dati anche su reti 3G-HSPA+ e 2G-GPRS. Multi-Tech Systems dichiara nelle specifiche che questo gateway è compatibile con tutte le reti cellulari dell'UE.

MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB viene fornito con una selezione di adattatori compatibili con la maggior parte delle prese di alimentazione dell'UE. Comprende anche un'antenna Wi-Fi, una GNSS e due antenne cellulari (Figura 2).

Figura 2: Il gateway MTCDT-247A-915-US-EU-GB di Multi-Tech Systems supporta la connettività LoRaWAN nei paesi dell'Unione europea nella banda degli 868 MHz, come pure la connettività backhaul cellulare 4G-LTE. Viene fornito con una serie di adattatori di alimentazione c.a. compatibili con la maggior parte dei paesi. (Immagine per gentile concessione di Multi-Tech Systems Inc.)

Per inviare dati LoRaWAN a una LNS su una rete 4G-LTE, ogni gateway richiede una scheda SIM standard contenente la rete wireless, il numero di telefono e le informazioni sull'abbonato.

MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB ha un portascheda SIM sulla parte anteriore dell'unità, dietro la targhetta. Per proteggere la scheda SIM dalla sostituzione indesiderata da parte di malintenzionati, la targhetta è fissata in posizione per mezzo di una vite (Figura 3). Per una maggiore sicurezza il gateway deve essere tenuto in un luogo chiuso a chiave e inaccessibile agli utenti non autorizzati. È importante assicurarsi che tale luogo non sia circondato da una struttura metallica, che ostacolerebbe i segnali Bluetooth e Wi-Fi.

Figura 3: Il gateway MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB ha una porta per la scheda SIM accessibile rimuovendo la targhetta fissata con una piccola vite. (Immagine per gentile concessione di Multi-Tech Systems Inc.)

Ogni gateway LoRaWAN Conduit di Multi-Tech Systems che supporta un backhaul 4G-LTE richiederà l'acquisto di una scheda SIM con un piano dati appropriato da un operatore telefonico. Scheda SIM e piano dati cellulare per gateway Conduit possono essere comodamente acquistati da DigiKey. Sono disponibili piani con capacità di dati da 300 kB a 5 GB al mese.

Il gateway Conduit di Multi-Tech Systems fornisce un facile punto di accesso centrale per quattro protocolli di connettività wireless, oltre a GNSS, tutto in un'unica unità. Il personale addetto alla manutenzione può così configurare facilmente tutte le reti wireless da un'unica postazione, risparmiando tempo e aumentando l'affidabilità. In questo modo si eliminano anche i conflitti che potrebbero insorgere in caso di utilizzo di router e gateway separati.

Conclusione

La connettività di rete wireless è sempre più utile per l'automazione industriale via via che gli impianti e le fabbriche adottano soluzioni IIoT. Per queste applicazioni esiste già un ricco ecosistema di dispositivi che supportano Wi-Fi e Bluetooth per numerose applicazioni che spesso operano su bande di frequenza diverse. Come è stato descritto, l'aggiunta della connettività dei sensori LoRaWAN con un funzionamento sub-GHz in impianti di automazione industriale già dotati di Wi-Fi e Bluetooth può migliorare l'affidabilità, specie nelle strutture più vecchie con pareti armate in acciaio. L'utilizzo di un unico gateway che supporta tutti questi protocolli consente di risparmiare tempo e costi di configurazione e di migliorare allo stesso tempo la compatibilità e l'affidabilità.