Sieci M2M

Początki technologii M2M sięgają aplikacji telemetrycznych umożliwiających przesyłanie danych pomiarowych na odległość. Wczesne zastosowania telemetrii obejmowały na przykład transmisję z pojazdów kosmicznych do centrum NASA oraz przesyłanie sygnałów sterujących w odwrotnym kierunku, bez interwencji człowieka.

W dalszej kolejności koncepcję tę zastosowano w samochodach Formuły 1, w których komputery pokładowe mają możliwość transmisji danych dotyczących kluczowych parametrów pojazdu. Do niedawna rozwiązania tego rodzaju wymagały poważnych nakładów finansowych. Obecnie jednak technologia M2M staje się coraz bardziej powszechna, głównie w aplikacjach kontrolnych oraz służących do akwizycji danych.

Wpływa na to szereg czynników, w tym szeroko rozumiany postęp technologiczny, miniaturyzacja i rozwój technologii sieciowych.

M2M ogólnie

Typowa sieć M2M jest złożona z grupy urządzeń, które są wyposażone w możliwość transmisji danych. Niezbędne jest także łącze realizujące połączenie między elementami systemu i komputerem głównym. Od strony programowej należy zapewnić odpowiedni interfejs, w którym zgromadzone informacje są przetwarzane i przechowywane. Dane mogą być transmitowane dwukierunkowo.

Informacja jest przesyłana z poszczególnych segmentów sieci do centrali lub jest rozgłaszana przez jedno urządzenie główne. Wówczas bywa wykorzystywana na przykład do aktualizacji oprogramowania. Transmisja między segmentami sieci M2M zazwyczaj nie ma charakteru ciągłego. Poszczególne urządzenia przesyłają dane okresowo, przez większość czasu pozostając w stanie czuwania.

Struktura

Rys.1. Typowa sieć bezprzewodowa

Komunikacja za pośrednictwem sieci M2M odbiega od tradycyjnych systemów kontroli. Zazwyczaj rozwiązanie takie składa się ze względnie niezależnych węzłów, które wspólnie tworzą skupioną sieć. Poszczególne stacje mogą być włączane do sieci, bądź z niej usuwane, bez jakiegokolwiek znaczącego wpływu na inne węzły oraz na sieć jako całość.

Tymczasem w przypadku typowego przemysłowego systemu kontrolnego punkty są zazwyczaj współzależne. W związku z tym wszystkie muszą być aktywne, jeżeli cały system ma spełniać swoje zadanie. Różnice obejmują także możliwe architektury sieci. Większość systemów przemysłowych ma zaimplementowaną centralną jednostkę kontrolną, która wysyła sygnały sterujące oraz służy jako przekaźnik sygnałów pomiędzy poszczególnymi segmentami.

Sieci M2M również mogą być budowane w oparciu o taką strukturę. Dodatkowo mogą realizować niezależną komunikację pomiędzy poszczególnymi węzłami, co pozwala na wymianę kluczowych informacji praktycznie w czasie rzeczywistym. Cechą odróżniającą sieci M2M od innych przemysłowych rozwiązań jest także niezależność od lokalizacji.

Zazwyczaj systemy kontrolne działają w oparciu o stacje rozmieszczone w obrębie jednego budynku, na przykład w obszarze danej fabryki. Komunikacji M2M nie dotyczą ograniczenia lokalizacyjne. Systemy pracujące w tym standardzie obejmują często urządzenia rozproszone po całym świecie. Dodatkową zaletą systemów M2M jest więc mobilność.

Węzły sieci nie muszą być na stałe umieszczone w jednym miejscu ani też nie ma przeciwwskazań, aby zmieniały swoją pozycję w czasie pracy.

Wybór łącza

Rys.2. Kontrola poziomu cieczy w zbiorniku wykonana w oparciu o sieć bezprzewodową

Jednym z podstawowych zadań w projektowaniu sieci M2M jest wybór łącza odpowiedniego do danej aplikacji. Jest to uwarunkowane wieloma czynnikami. Do podstawowych zagadnień należy zasięg działania sieci oraz dostępna infrastruktura. Wdrażane są zarówno sieci oparte o standardy bezprzewodowe, jak i tradycyjne sieci kablowe.

Wśród rozwiązań bezprzewodowych można wymienić standardy takie jak WiFi, Bluetooth oraz rozwijający się protokół ZigBee. Sieci te charakteryzują się jednak małym zasięgiem, obejmującym odległości od kilku do 100 metrów.

W związku z tym aplikacje budowane w oparciu o wymienione standardy obejmują względnie mały obszar, na przykład fabrykę lub magazyn. W obrębie tego terenu poszczególne węzły sieci mogą być w pełni mobilne. Aby poprawić ciągłość obsługi i poszerzyć zasięg, wykorzystuje się sieć GSM. Wdrożenie sieci bezprzewodowej wymaga obecnie dokonania wyboru pomiędzy dwoma przodującymi standardami: IEEE 802.11 i ZigBee. Mimo że z założenia obie technologie zostały zaprojektowane do różnych celów, to mają zalety, które można wykorzystać w komunikacji M2M.

Standard WLAN 802.11 był tworzony z myślą o sieciach komputerowych, ponieważ miał się stać bezprzewodową konkurencją dla kablowej sieci Ethernet. Technologia ta została jednak szeroko zaadaptowana w aplikacjach M2M, zwłaszcza w zastosowaniach przemysłowych. Urządzenia działające w oparciu o wersje 802.11b i g komunikują się na częstotliwości 2,4GHz. Wersji 802.11a odpowiada częstotliwość 5GHz. Jest ona wdrażana w sytuacji, gdy w danym środowisku mogą pojawić się interferencje z innym urządzeniami pracującymi w paśmie 2,4GHz. Ta odmiana standardu jest także wykorzystywana w sieciach, które składają się z bardzo dużej liczby połączonych stacji lub gdy niezawodność transmisji jest szczególnym priorytetem. W sieci WLAN jest możliwe połączenie stacji w trybie peer-to-peer. Mimo to znacznie bardziej powszechna jest komunikacja za pośrednictwem punktu dostępowego. Takie rozwiązanie ułatwia komunikację pomiędzy poszczególnymi urządzeniami oraz połączenie z inną siecią, na przykład z Internetem. Standard ZigBee powstał stosunkowo niedawno. W przeciwieństwie do 802.11, od początku przeznaczeniem ZigBee miało być zapewnienie komunikacji między różnymi przyrządami pomiarowymi. Specyfikacja ZigBee obejmuje przede wszystkim proste rozwiązania sieciowe, łączące niewielkie urządzenia o małym poborze energii, takie jak na przykład czujniki lub wyłączniki światła. Podstawową częstotliwością, w której pracuje, jest także 2,4GHz. Nie jest wymagany centralny punkt dostępowy, ponieważ sieci ZigBee mogą tworzyć topologię kratową (mesh).

Podstawowe różnice pomiędzy technologią WLAN i ZigBee dotyczą szybkości transmisji danych, poboru mocy oraz topologii sieci. Standard 802.11 zapewnia szybką transmisję na poziomie 11÷54Mb/s. Tymczasem urządzenia w sieci ZigBee mogą komunikować się z prędkością 250Kb/s. W związku z tym sieci w standardzie 802.11 umożliwiają ciągłe korzystanie z aplikacji opartych o zasoby na przykład z Internetu. Tymczasem najbardziej odpowiednim sposobem komunikacji w sieci ZigBee jest okresowa wymiana danych. Z kolei pod względem energetycznym to moduły ZigBee są bardziej atrakcyjne. Charakteryzują się niskim poborem mocy ze względu na to, że są dedykowane przede wszystkim do urządzeń przenośnych i zasilanych bateryjnie. Cechy charakterystyczne obu standardów sprawiają, że sieci WLAN najlepiej jest traktować jako bezprzewodowy Ethernet, a rozwiązania ZigBee jako nowoczesny odpowiednik transmisji szeregowej.

Zalety WLAN i ZigBee

Standard WLAN oferuje szereg protokołów sieciowych ważnych z punktu widzenia aplikacji M2M, w tym protokół SNMP istotny pod względem konfiguracji urządzeń, protokół Ethernet/IP oraz umożliwia bezpośrednie przesyłanie pakietów sieci przemysłowych Profinet i Modus. Technologia WLAN zapewnia także szersze możliwości ochrony transmitowanych informacji. Urządzenia komunikujące się w standardzie ZigBee są zasilane bateryjnie i często przez większość czasu pracują w trybie czuwania.

Przejście do stanu aktywnego następuje jedynie w momencie transmisji zgromadzonej informacji lub aktualizacji danych i oprogramowania na potrzeby samego urządzenia. Ze tego względu częstokroć urządzenia ZigBee mogą pracować przez kilka lat bez konieczności wymiany baterii. Możliwość ograniczenia zużycia energii sprawia, że moduły ZigBee są optymalne pod względem kosztów utrzymania w przypadku budowania sieci z bardzo dużą liczbą urządzeń.

Zaletą jest także stosowana w standardzie ZigBee kratowa topologia sieci. Pozwala ona na rozszerzanie sieci M2M o tysiące komunikujących się czujników. Ponadto, jeżeli urządzenie ZigBee znajduje się aktualnie w trybie online, zostaje natychmiast wykryte i nawiązuje transmisję. Topologia kratowa jest idealnym rozwiązaniem w aplikacjach M2M, które zazwyczaj składają się z dużej liczby węzłów.

Problemy z GSM dla M2M

Rys.3. Sterowanie nawadnianiem gruntów z wykorzystaniem sieci bezprzewodowej

Połączenie 1000 urządzeń w sieć w obrębie jednego kraju jeszcze kilka lat temu stanowiłoby ogromne wyzwanie. Zagadnienie to stawało się bardziej złożone, gdy sieć miała obejmować na przykład 500 tys. maszyn, które na dodatek byłyby rozlokowane na terenie różnych państw. W poszczególnych krajach działają inni operatorzy sieci GSM. W związku z tym zarządzanie takim systemem w skali światowej musiało zostać uproszczone.

W przypadku, gdy dane urządzenie ma komunikować się z innymi za pośrednictwem GSM, a transmisja obejmuje kilka krajów, należy zadbać o wyposażenie poszczególnych układów w odpowiednie karty SIM. W pewnym stopniu komplikuje to proces dystrybucji. W związku z tym wprowadzono standaryzowane karty M2M SIM oraz wdrożono odpowiednie uregulowania międzynarodowe, co uprościło seryjną produkcję oraz rozprowadzanie sprzętu.

Inny problem stanowiło testowanie gotowych produktów przed wysłaniem ich do klienta. Jeżeli urządzenie komunikowało się za pośrednictwem sieci komórkowej, to do tej pory nie było możliwości przetestowania go bez aktywacji – a ta wiązała się z dodatkowymi opłatami. Obecnie, ze względu na wzrost zapotrzebowania na tego typu usługi do aplikacji M2M, operatorzy sieciowi coraz częściej zapewniają możliwości darmowego testowania.

Także z punktu widzenia klienta można dostrzec zmiany prowadzące do uproszczeń i zwiększenia elastyczności w zakresie korzystania z transmisji za pośrednictwem sieci komórkowej. Proces aktywacji sieci M2M staje się bardziej zautomatyzowany, a klienci otrzymują urządzenia gotowe do pracy. Wszystkie niezbędne operacje związane z identyfikacją kart SIM są przeprowadzane automatycznie.

SIM dla M2M

Rys.4. Monitoring warunków przewozu artykułów spożywczych z wykorzystaniem sieci bezprzewodowej

Sieci M2M wymagają odmiennego podejścia w projektowaniu i w procesie produkcji kart SIM. W urządzeniach działających w standardzie GSM są to zazwyczaj elementy, które da się usunąć. Co więcej, czas użytkowania karty SIM w telefonie jest względnie krótki i wynosi w większości przypadków kilka lat. W zastosowaniach przemysłowych wymagania są inne. Oczekuje się, że w aplikacjach M2M czas pracy urządzeń wyposażonych w karty SIM będzie wynosił przynajmniej 10 lat.

Ponadto należy uwzględnić także fakt, że urządzenia w sieciach M2M pracują często w trudnych, przemysłowych warunkach. Mogą być wówczas narażone na wibracje i wysokie lub niskie temperatury. Standardowe karty SIM są wykonane z materiałów, które nie nadają się do pracy w tak trudnych warunkach. Rozwiązaniem jest technologia wbudowanych kart SIM. Zamiast dotychczasowych plastikowych kart, coraz powszechniej stosuje się układy w obudowach, na przykład typu QFN 44.

Dzięki temu karty SIM stają się po prostu kolejnym układem scalonym wlutowanym na płycie głównej urządzenia. Proces ten można zautomatyzować, stosując maszyny do montażu seryjnego typu pick-and-place. Można w ten sposób uniknąć ręcznego usuwania i ponownego wkładania plastikowej karty. Pozwala to ograniczyć koszty oraz zmniejszyć prawdopodobieństwo błędów w montażu, ponieważ urządzenie bezpośrednio po złożeniu jest testowane, bez konieczności fizycznej interwencji operatora.

Zastosowanie komunikacji M2M

Rys. 5. Sterowanie oświetleniem w rozległych magazynach z wykorzystaniem sieci ZigBee

Jednym z podstawowych zastosowań sieci M2M jest środowisko przemysłowe i monitorowanie parametrów kluczowych w procesie produkcyjnym. Zadaniem programów diagnostycznych działających w oparciu o dane dostarczane z poszczególnych stanowisk jest wykrywanie niepokojących tendencji w ich działaniu. Pozwala to uniknąć przerw w pracy spowodowanych awariami. Możliwość podglądu stanu urządzenia w czasie rzeczywistym przyśpiesza rozwiązywanie ewentualnych problemów.

Często można w ten sposób uniknąć interwencji personelu, która zazwyczaj wiąże się z zatrzymaniem produkcji. Coraz powszechniejsze staje się wykorzystywanie komunikacji M2M w budynkach inteligentnych, na przykład do sterowania oświetleniem. Scentralizowany system kontroli obecności jest szczególnie pożądany w magazynach i fabrykach. Dane z czujników ruchu mogą być na bieżąco analizowane. Pozwala to na automatyczne wyłączanie zbędnego oświetlenia, co umożliwia bardziej efektywne zarządzanie zużyciem energii.

Monitoring poszczególnych pomieszczeń jest podstawowym zabezpieczeniem przed ingerencją osób trzecich. Innym przykładem zastosowania sieci M2M jest kontrola sprzętu, który jest czasowo wypożyczany klientom przez firmy leasingujące. Urządzenia takie wymagają stałego monitorowania i kontroli ze strony dostawcy.

Klienci oczekują bowiem, że dany sprzęt będzie działał poprawnie, a w razie uszkodzenia zostanie szybko naprawiony. Oznaki zbliżającej się awarii zidentyfikowane odpowiednio wcześniej w znacznym stopniu zmniejszają koszty i zwiększają wydajność urządzeń. O podstawowych wymaganiach sprzętu dotyczących konserwacji personel serwisujący powinien być informowany z wyprzedzeniem. Umożliwia to zaplanowanie reakcji na ewentualną usterkę. Dotyczy to zwłaszcza dostarczenia niezbędnych materiałów i elementów zamiennych.

Przepływ informacji pozwala zmniejszyć koszty związane z ewentualnymi działaniami logistycznymi. Dodatkową presją stają się nowe uregulowania wprowadzane w zakresie opłat za rzeczywiste wykorzystywanie danego sprzętu (pay per use). W systemie tym klienci płacą jedynie za czas, w którym sprzęt jest używany i działa bezawaryjnie.

Wszystko to sprawia, że dla dostawców leasingowanych sprzętów bezpieczeństwo i precyzja danych dotyczących stanu tych urządzeń oraz konieczność analizy informacji w czasie rzeczywistym stają się sprawą zasadniczą. W 2007 roku przeanalizowano wpływ tzw. inteligentnych rozwiązań w zakresie serwisowania sprzętu na odczucia klientów oraz na sam proces usuwania usterek. Analiza dowiodła szeregu zalet płynących z wykorzystania sieci M2M. Dotyczyły one przede wszystkim wydłużenia czasu bezawaryjnego działania sprzętu.

Ponadto odnotowano skrócenie czasu usuwania awarii, co zmniejszyło koszty napraw. To z kolei pozytywnie wpłynęło na opinię o firmie wśród klientów, zwiększając ich zaufanie wobec danego zakładu, jego produktów i usług. Ocenia się, że w ciągu kilku najbliższych latach możliwość pracy w sieci M2M stanie się jedną z podstawowych funkcji decydujących o konkurencyjności danego sprzętu.

Sieci "drop in"

"Drop in networking" jest nowym sposobem rozmieszczania sieci bezprzewodowych w środowisku, w którym niemożliwe jest wdrożenie sieci kablowych. Rozwiązania drop-in umożliwiają stworzenie sieci połączeń w miejscach, w których do tej pory nie było to w ogóle wykonalne. Praktycznie wszystkie obecnie dostępne technologie – ZigBee, sieci komórkowe, Wifi– znajdują zastosowanie w aplikacjach drop-in. Zasadniczy moduł w sieciach tego typu to brama, która służy za punkt zbiorczy danych gromadzonych przez poszczególne elementy sieci.

Segment ten odpowiada za zbieranie informacji i ich dalszą transmisję do węzła centralnego, w którym powstają bazy danych i znajdują się aplikacje przetwarzające zgromadzone informacje. Przykładem takiej sieci jest przedstawiona na rys. 3 aplikacja monitorująca poziom cieczy w zbiornikach. W tym przypadku zdecydowano się na wykorzystanie modułów standardu ZigBee, ponieważ w pobliżu nie było żadnego punktu dostępowego sieci bezprzewodowej. Ponadto za wykorzystaniem tego typu sieci przemawiała mała ilość transmitowanych danych.

Komunikacja M2M pomiędzy urządzeniami w systemie jest wymagana, ponieważ niezbędna jest wymiana informacji o aktualnym poziomie cieczy. To pozwala na utrzymanie równego poziomu we wszystkich zbiornikach. Technologia drop in jest stosowana także wtedy, gdy w danym miejscu istnieje już sieć kablowa. Mimo teoretycznej możliwości podłączenia do niej, często na przeszkodzie stają problemy organizacyjne, które pojawiają się w trakcie współpracy z jej operatorem.

Przykładem jest sytuacja, w której producent danego sprzętu chce monitorować jego zachowanie w czasie testów u klienta. Korzystając z technologii drop in, można ominąć istniejącą infrastrukturę sieciową i niezbędne dane przesyłać bezpośrednio do centrali firmy.

Nietypowe aplikacje M2M

Nietypowym miejscem na wdrożenie sieci M2M jest z pewnością pole golfowe. Problemem jest równomierne nawadnianie gruntu. Obszary zacienione i położone niżej są przeważnie narażone na zbyt intensywne nawilżanie. Z kolei tereny nasłonecznione są wysuszone. Rozwiązaniem jest zastosowanie czujników wilgotności gruntu w najbardziej newralgicznych punktach. W tym zastosowaniu idealnie sprawdzają się moduły sieci ZigBee. Dane z sensorów są przesyłane do jednostki centralnej.

Steruje ona zraszaczami, porównując odczyty z czujników z założoną optymalną wartością zawartości wilgoci w glebie. Opisywane rozwiązanie przyczynia się do ograniczenia zużycia wody o blisko 15% oraz zapewnia równomierną jakość podłoża w obrębie całego pola. Kolejnym niekonwencjonalnym zastosowaniem sieci M2M jest zdalna kontrola pułapek na gryzonie. W obiektach o dużej powierzchni, takich jak na przykład magazyny lub spożywcze hale produkcyjne, pułapki takie są rozmieszczane w wielu strategicznych punktach.

Wadą tradycyjnych rozwiązań jest konieczność angażowania personelu do sprawdzania i opróżniania pułapek. Zastosowanie modułów bezprzewodowych i zdalna kontrola stanu pułapek może usprawnić cały proces. Awaria pojazdu, chłodziarki lub po prostu niedomknięte drzwi samochodu dostawczego często stają się przyczyną poważnych start w przypadku transportu łatwo psującej się żywności. Odpowiednio rozmieszczone czujniki na bieżąco mogą informować o kluczowych parametrach, co pozwala zapobiegać awariom sprzętu.

Szybka identyfikacja oznak awarii na przykład zamrażarki może uchronić dostawcę przed ogromnymi stratami związanymi z wypłaceniem odszkodowania.

Prognozy

Zyski z realizacji opisywanych systemów są jednak często nieadekwatne do kosztów. Średni przychód uzyskiwany dzięki realizacji sieci M2M stanowi przeciętnie zaledwie ułamek dochodów osiąganych w przypadku, gdy przepływ informacji jest realizowany w inny sposób. Mimo to według najnowszych badań rozwiązania M2M są wdrażane blisko 10-krotnie częściej. Analitycy z Berg Insights szacują, że liczba urządzeń połączonych z siecią komórkową w USA wyniesie 66 mln w 2011 roku. Ocenia się, że obecnie na świecie blisko 110 mln urządzeń pracuje w takiej sieci maszyn.

W ciągu kilku najbliższych lat można się spodziewać jeszcze szybszego wzrostu rynku sieci M2M, w tempie nawet powyżej 25% rocznie.

Monika Jaworowska