Projektowanie i wybór modułów M2M

W logistyce moduły M2M ułatwiają zarządzanie flotą pojazdów. Centrum może na przykład zdalnie sprawdzić zużycie paliwa, ich aktualną lokalizację, prędkość, z jaką się poruszają, liczbę przebytych kilometrów, czas pracy kierowcy oraz inne dane, które mają wpływ na szybkość i koszty transportu. Sztandarową aplikacją modułów tego typu są inteligentne liczniki zużycia mediów (smart meter), które odczytuje się na odległość.

Gdzie moduły M2M są lub będą używane?

W przyszłości urządzenia te pozwolą także na zdalne zarządzanie poborem mocy w inteligentnych sieciach energetycznych (smart grid) przez odłączanie najbardziej energochłonnych odbiorców oraz w systemach automatyki domowej przez wyłączanie odbiorników, które pobierają najwięcej prądu. W tych pierwszych moduły M2M pozwolą też na nadzór i sterowanie na odległość przełącznikami, transformatorami i innymi urządzeniami na podstacjach. Dzięki temu poprawi się ciągłość dostaw energii elektrycznej oraz sprawność sieci energetycznej. Podobną funkcję smart liczniki będą pełnić w gazownictwie i sieciach wodno-kanalizacyjnych.

Inny przykład to zdalny odczyt przez lekarzy parametrów życiowych rejestrowanych przez czujniki zamocowane na ciele człowieka jako alternatywa dla hospitalizacji pacjentów przewlekle chorych, wymagających stałej diagnostyki. Mierniki te będą również automatycznie powiadamiać pogotowie w razie wymaganej pilnej interwencji personelu medycznego. Nie brak jest ponadto zastosowań dla modułów M2M w przemyśle (zdalna diagnostyka maszyn), w monitoringu mienia (powiadamianie o włamaniu) i w handlu (kontrola przepływu towarów).

Jak zbudowany jest moduł M2M?

Rys. 1. Schemat blokowy modułu M2M

Schemat blokowy modułu M2M przedstawiono na rysunku 1. Jego główne części składowe to: zasilanie, procesor, sensory i układ do komunikacji przewodowej lub bezprzewodowej (interfejs sieciowy, antena nadawczo-odbiorcza). Kompletując je na etapie projektu urządzenia, pod uwagę wziąć trzeba głównie jego zastosowanie. Aplikacja to również najważniejsze kryterium wyboru gotowego urządzenia przez klienta. Jednym z istotniejszych czynników jest m.in. środowisko pracy. Jeżeli jego specyfika nie zostanie uwzględniona, może się to odbić negatywnie na niezawodności i żywotności modułu.

Dotyczy to zwłaszcza urządzeń pracujących na zewnątrz budynków albo w trudnych warunkach, na przykład w przemyśle lub w sprzęcie ciężkim. Takie moduły M2M powinny być odporne na niskie i wysokie temperatury, dużą ich zmienność i wpływ opadów atmosferycznych oraz drobiny (pyłów, brudu, płynów), które mogą przeniknąć do ich środka. Podstawowym zabezpieczeniem przed tym ostatnim jest właściwie dobrana obudowa. Poziom ochrony, jaki zapewnia, opisuje się, podając kod IP w postaci IPxx.

Poziomy ochrony w kodzie IP

Pierwszy symbol x charakteryzuje stopień zabezpieczenia przed wnikaniem ciał stałych. 0 oznacza brak ochrony. Pozostałe informują o blokowaniu drobin o wielkości: 1-50 mm, 2-12,5 mm, 3-2,5 mm oraz 4-1 mm. Obudowa opisana kodem IP5x uniemożliwia z kolei wniknięcie pyłów w ilościach zakłócających pracę urządzenia. Osłona, przez którą pył w ogóle nie przeniknie do środka urządzenia, ma numer IP6x. Drugi x w kodzie IP charakteryzuje zabezpieczenie przed wnikaniem wody.

0 świadczy o braku ochrony. 1, 2 i 3 oznaczają natomiast, że do wnętrza nie przedostaną się krople wody spadające, odpowiednio, pionowo (z kondensacji), pod kątem 15° i 60°. Urządzenia z kodem IPx4 można bezpiecznie wykorzystywać w deszczu, natomiast oznaczone jako IPx5, IPx6, IPx7 oraz IPx8 odpowiednio, w strumieniu wody z dowolnego kierunku, w silnym strumieniu albo przy fali, przy czasowym oraz częściowym zanurzeniu i przy ciągłym zanurzeniu oraz zwiększonym ciśnieniu wody.

Ochrona przed korozją i wibracjami

Najlepiej jest, jeśli urządzenie użytkowane na zewnątrz budynków charakteryzuje stopień ochrony IP65 albo wyższy. Gdy może mieć ono kontakt z substancjami korozyjnymi, obudowę wykonuje się ze stali nierdzewnej. Inny przykład to zabezpieczenie osłony przed działaniem wody morskiej przez jej proszkowe polakierowanie. Podzespoły w środku chroni się przez hermetyzację albo pokrywając płytki drukowane powłokami konformalnymi.

Miniaturyzacja i większa gęstość upakowania elementów elektronicznych powodują, że drgania, na które są narażone w modułach M2M instalowanych w środkach transportu albo w sprzęcie ciężkim, są dla nich uciążliwsze. Ich wpływ zmniejsza się, przyklejając podzespoły do PCB. Wadą tego jest większy koszt i mniejsza skuteczność odprowadzania ciepła. Całe płytki zabezpiecza się, mocując do obudowy dodatkowymi śrubami. Obluzowania się złączy obudowy i jej rozszczelnienia unika się, stosując oprawy z tworzyw sztucznych, które tłumią drgania.

Dawniej większość modułów machine to machine montowana była za pomocą złączy, obecnie popularyzują się natomiast te instalowane w technice SMD (LGA). Chociaż te pierwsze są z reguły droższe, ich zaletą jest łatwość wymiany, na przykład w razie ich uszkodzenia albo awarii. Ich wadą, poza ceną, są większe rozmiary. Generalnie moduły mocowane za pomocą złączy nie są zalecane, jeżeli będą narażone na silne wibracje. Za to są odporniejsze, od tych lutowanych, na uderzenia. Ponadto im mniejszy moduły, tym lepiej, bo w razie wibracji mała masa w mniejszym stopniu obciąża złącza.

Komunikacja

Istotą działania modułów M2M jest transmisja danych. Środowisko pracy to też jeden z czynników wpływających na wybór metody komunikacji. Inne to m.in. wymagana częstość i bezpieczeństwo przesyłu informacji.

Zaletą sieci przewodowych, w porównaniu z tymi bezprzewodowymi, jest większa odporność na zaburzenia z zewnątrz, większa przepustowość i bezpieczeństwo transmisji. Sieci bezprzewodowe są natomiast tańsze oraz łatwiejsze w instalacji. O ile w sieciach kablowych najpopularniejszy jest standard Ethernet, o tyle w tych drugich konkurencja jest większa. Obecnie rywalizują pomiędzy sobą głównie sieci Wi-Fi, komórkowe, ZigBee i Bluetooth. Każda z nich ma zalety i ograniczenia.

Na przykład sieci komórkowe najlepiej nadają się do transmisji małych ilości danych. Ich zaletą jest także duży zasięg, a poza tym opłaty za korzystanie z nich stale maleją. Za ich pośrednictwem łączą się zwykle ze sobą moduły rozmieszczone na rozległym terenie, do których trudno dotrzeć. Więcej informacji między modułami M2M można przesłać przez sieć Wi-Fi. Zaletą standardów Bluetooth i ZigBee jest z kolei oszczędność energii.

Jaką sieć wybrać?

Decydując się na łączność komórkową, wybrać należy sieć. Nie jest to błaha sprawa, gdyż trafna decyzja to nie tylko atrakcyjna do warunków aplikacji cena modułu, ale i dopuszczalne koszty jego eksploatacji. Wybór jest szeroki - od sieci 2G do sieci najnowszej generacji 4G (LTE). Im jednak wyższa prędkość transmisji, tym droższy moduł oraz większe opłaty za korzystanie z sieci. Ponadto szybsza transmisja to większy pobór mocy. Wprawdzie producenci modułów machine to machine korzystają z rozwiązań technicznych, które opracowano pod presją użytkowników smartfonów i z myślą o potrzebach elektroniki użytkowej, pozwalające na transmisję i przetwarzanie strumieni wideo o dużej rozdzielczości, jednak w wypadku modułów M2M, niewiele to zmienia. Urządzenia te bowiem zwykle częściej nadają komunikaty, niż je odbierają. Dlatego tak ważne jest, przed podjęciem ostatecznej decyzji, opracowanie bilansu energetycznego łącza dwukierunkowego. Wybierając urządzenie do komunikacji M2M, warto też sprawdzić, jaką moc wydziela w trakcie nadawania. Ta informacja powinna być uwzględniona szczególnie w wypadku modułów, które narażone będą na wysokie temperatury, na przykład tych pracujących na zewnątrz, gdzie pod wpływem silnego nasłonecznienia mogą się dodatkowo nagrzewać lub w maszynach, gdzie podgrzewane będą przez ciepło emitowane w trakcie pracy przez te ostatnie.

Wybór sieci wpływa też na układ nadawczo-odbiorczy. W sieciach 2G anteny, jak i zresztą same moduły, pod względem budowy były stosunkowo proste. Jednak wraz ze wzrostem liczby pasm częstotliwości złożoność ich konstrukcji rosła. Już zaprojektowanie anteny, aby mogła ona służyć do komunikacji we wszystkich pasmach telefonii komórkowej 3G na całym świecie, było bardzo trudne. W wypadku sieci 4G jest to w ogóle niemożliwe, ponieważ zakres częstotliwości zaczyna się od 700 MHz, a kończy na 3,6 GHz. Pojedyncza antena nie może pracować w aż tak szerokim przedziale częstotliwości, przechodząc przy tym wszelkie wymagane testy dopuszczającej ją do użytku. W związku z tym decydując się na korzystanie z sieci 3G albo 4G, należy liczyć się z tym, że moduł machine to machine przygotować trzeba w kilku wariantach regionalnych. Wybierając moduł M2M, należy natomiast zwrócić uwagę, aby kupić ten właściwy.

Od doboru anteny układu nadawczo-odbiorczego modułów M2M zależy też jakość i niezawodność transmisji. Pamiętać należy przy tym o kilku kwestiach.

Anteny w modułach M2M

Są one często częścią dużych urządzeń, które sprawiają wrażenie, że w środku jest wiele wolnego miejsca. W rzeczywistości jednak przestrzeń jest zwykle ograniczona, a antenę nie zawsze uda się zamontować w miejscu gwarantującym najlepszą jakość transmisji, zwłaszcza tę większą, na niższe częstotliwości. Na jakość transmisji mają również wpływ warunki otoczenia.

Przykładowo sygnały z anten w modułach M2M w automatach albo w inteligentnych licznikach zamontowanych w głębi budynku mogą być silnie przez niego tłumione. Gdy moc sygnału jest za słaba, trzeba dodatkowych starań, żeby odczytać pomiary. Na przykład konieczne jest zwiększenie liczby komórek sieci. Można też oddelegować pracownika, który z mniejszej odległości odczyta wyniki.

Podobnie jak przy obudowie, w realizacji układu nadawczo-odbiorczego powinno uwzględnić się warunki atmosferyczne. Na przykład licznik, który latem może działać niezawodnie, jesienią, kiedy zasypią go mokre liście albo zimą, gdy przykryje go śnieg, będzie się łączył wolniej, a połączenie to będzie często zrywane.

Na rynku modułów M2M panuje silna konkurencja, przez co liczy się cena oraz czas wprowadzenia produktu na rynek. Dlatego ich dostawcy przeważnie nie są w stanie poświęcić zbyt wiele czasu na optymalizowanie projektu anteny. Te gotowe są tańsze, ale niestety nie uniwersalne, przez co są zawodne w pewnych warunkach. Alternatywa to anteny dynamicznie przestrajalne.

Aby moduł M2M spełnił swoje zadanie musi również być zasilany w sposób pewny oraz dopasowany do aplikacji.

Zasilanie

Część zasilająca modułu M2M składa się ze źródła energii oraz obwodu konwersji AC/DC albo DC/DC. Pierwszym etapem jej projektu jest sprawdzenie potrzeb, czyli wymaganych poziomów napięć zasilających oraz ilości mocy pobieranej przez poszczególne podzespoły.

Głównymi jej odbiornikami w modułach tego typu są: procesor oraz układy do komunikacji. Ten pierwszy pobiera typowo do kilku W, zależnie od szybkości taktowania oraz peryferii, z jakimi współpracuje. Transmisja danych to na przykład w razie korzystania z łączności bezprzewodowej "wydatek" do kilkunastu W. Trzeba go uwzględnić, nawet jeżeli, co częste w wypadku modułów M2M, urządzenie komunikuje się ze światem zewnętrznym okresowo oraz dość rzadko.

Po scharakteryzowaniu potrzeb sprawdzić trzeba dostępność źródeł energii. Zasilanie sieciowe lub wymienne baterie to najczęstszy wybór. Decydując się na te drugie pamiętać należy o oszczędności energii. Można ją uzyskać, wprowadzając w tryb pracy sleep główne odbiorniki mocy w czasie, gdy nie muszą pozostawać aktywne. Wybierając moduł M2M zasilany bateryjnie, należy wówczas sprawdzić, jaki prąd pobiera w tym stanie pracy.

W modułach M2M instalowanych w miejscach trudno dostępnych, co komplikuje wymianę baterii, oraz tam, gdzie brak jest linii sieci energetycznej, popularyzują się technologie pozyskiwania energii ze źródeł wolnodostępnych (energy harvesting). Aby miało to sens, powinna być ona dostępna tak często i w takich ilościach, jakich wymaga odbiornik.

Energy harvesting w zasilaniu modułów M2M, opcje dodatkowe

Spośród tych, które mogą występować swobodnie w otoczeniu odbiornika, najpopularniejsze są: wibracje i ciepło, obie wielkości są na przykład wytwarzane przez sprzęt ciężki i samochody w trakcie pracy, i światło. Aby to ostatnie przetworzyć w energię elektryczną, moduły M2M wyposaża się w ogniwa słoneczne. Ich zaletą jest dojrzałość technologii, dostępność oraz niższy koszt, w porównaniu z pozostałymi przetwornikami typu energy harvesting.

Te do konwersji energii mechanicznej wykorzystują zjawisko piezoelektryczne występujące w kryształach (na przykład kwarcowych), na powierzchni których pod wpływem nacisku indukują się ładunki elektryczne. Przetworniki energii cieplnej bazują na efekcie termoelektrycznym. Polega on na powstaniu siły elektromotorycznej w obwodzie zbudowanym z dwóch półprzewodników albo metali, których złącza mają różną temperaturę.

Wybierając moduł M2M, warto również zwrócić uwagę na dodatkowe wyposażenie. Przykładem są dostępne interfejsy komunikacyjne. Tym obecnym standardowo jest przeważnie UART, za którego pośrednictwem do urządzenia przesyłane są dane i sygnały sterujące. Moduły przystosowane do pracy w szybkich sieciach wyposaża się również w złącze USB, jeżeli szybkość transmisji przez UART jest niewystarczająca. Standardem staje się ponadto GPS. Możliwość lokalizacji okazuje się przydatna na przykład w razie kradzieży urządzenia. Jeżeli natomiast aplikacja wymaga wysokiej niezawodności komunikacji i dostępności modułu M2M, przez cały czas warto rozważyć użycie dwóch kart SIM oraz podłączenia urządzenia do dwóch różnych sieci komórkowych. Wybierając moduł, który dopuszcza takie rozwiązanie trzeba sprawdzić, czy dostępne są narzędzie ułatwiające przełączanie sieci i zarządzanie taką dodatkową funkcjonalnością.

Monika Jaworowska