Kết Nối LoRa Sẽ Mở Ra Các Cơ Hội Mới Cho Các Ứng Dụng IoT Công Nghiệp Như Thế Nào?
29/10/2020
Các công nghệ kết nối không dây (Wireless)
Advantech cung cấp danh mục sản phẩm toàn diện với nhiều công nghệ kết nối không dây cho các ứng dụng công nghiệp. Bài viết này sẽ đưa ra ý kiến thảo luận về các giải pháp LoRa của chúng tôi, điều quan trọng là phải hiểu rằng đây chỉ là một phần của một giải pháp hoàn chỉnh. Một trong những giá trị quan trọng của Advantech là khả năng kết hợp các công nghệ của chúng tôi để tạo ra một giải pháp hoàn chỉnh cho việc khôi phục và chuyển giao dữ liệu, giải quyết các vấn đề phức tạp phát sinh từ nhiều loại giao thức trường, cảm biến và bộ điều khiển khác nhau tồn tại để cung cấp an toàn dữ liệu thống nhất trong các giao thức và định dạng dễ sử dụng như MQTT, REST, JSON hoặc trực tiếp vào các nền tảng đám mây như Azure, AWS hoặc WISE-PaaS của chúng tôi.
Tại sao kết nối không dây được nhiều người quan tâm?
Trong năm năm qua, công nghệ không dây đã là một chủ đề quan trọng và được quan tâm rất nhiều trong thị trường công nghiệp. Có một số lý do khiến sự quan tâm và áp dụng chúng ngày càng tăng:
- Tiết kiệm chi phí về kỹ thuật / lắp đặt tổng thể: các kết nối không dây không cần hệ thống cáp vật lý đến từng điểm cuối hoặc máy cần kết nối và giám sát. Điều này có thể giảm đáng kể chi phí và sự phức tạp của việc lắp đặt, cho phép theo dõi dữ liệu từ các điểm mà việc đi dây cáp sẽ tốn rất nhiều chi phí.
- Tính linh hoạt khi cần mở rộng trong tương lai: Việc triển khai kết nối không dây có kế hoạch tốt cho phép bạn mở rộng cơ sở hạ tầng một cách dễ dàng và nhanh chóng mà không mất thời gian chết.
- Giá trị của dữ liệu: di động, công nghiệp 4.0, Internet of Things, chuyển đổi số trong nhà máy, và giám sát OEE - đầu vào quan trọng cho các ứng dụng này là dữ liệu. Dữ liệu mà trước đây ít được quan tâm ngày càng trở nên có giá trị để tối ưu hóa quy trình làm việc, tiết kiệm chi phí và dự đoán nhu cầu trong tương lai.
Tuy nhiên, loại dữ liệu nào có giá trị? Chi phí cho việc thu thập dữ liệu là bao nhiêu? Đây là hai yếu tố then chốt mà các công ty nên để mắt tới.
Công nghệ kết nối không dây nào phù hợp với nhu cầu của tôi?
Mỗi công nghệ kết nối không dây đều có những ưu và nhược điểm khác nhau. Việc chỉ định công nghệ nào có thể cung cấp giải pháp chính xác phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Những yếu tố này có thể bao gồm:
- Cấu trúc chi phí (cơ sở hạ tầng, các mô hình cấp phép không dây)
- Kích thước và tần số truyền dữ liệu
- Thời gian nhạy cảm
- Quy mô của ứng dụng
- Phạm vi phủ sóng bắt buộc (địa phương, quốc gia, toàn thế giới)
- Yêu cầu và khả năng cung cấp điện
- Cấu trúc mạng
Do đó, không có công nghệ không dây nào có thể phù hợp với mọi tình huống ứng dụng. Do chúng được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, trong mười năm qua, các công nghệ không dây phổ biến nhất để giám sát và điều khiển là kết nối di động, WiFi và sóng radio riêng.
- Công nghệ mạng di động đang chiếm ưu thế trong các ứng dụng có mối quan tâm cao về phạm vi địa lý và khối lượng kết nối. Ví dụ, cả ngành công nghiệp xe hơi và quản lý đội xe đều yêu cầu công nghệ không dây trên xe có thể giao tiếp với các điểm dịch vụ trung tâm trên toàn quốc hoặc thậm chí xuyên biên giới. Công nghệ di động (3G / LTE) hiện là công nghệ không dây tốt nhất cho các loại thị trường này.
- Công nghệ WiFi là công nghệ mạng không dây phổ biến nhất trong các ứng dụng tiêu dùng và công nghiệp. Không tốn chi phí để xin cấp giấy phép và nhờ được áp dụng cho người tiêu dùng và khu dân cư, chi phí thành phần và rào cản gia nhập công nghệ với loại kết nối này là khá thấp. WiFi là công nghệ không dây phổ biến nhất dành cho các nhà máy tự động hóa và chế tạo máy, những thị trường yêu cầu mạng không dây cục bộ dễ triển khai và tiết kiệm chi phí.
- Hệ thống sóng radio riêng đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp lĩnh vực dầu khí trong hơn ba mươi năm qua. Trong các cơ sở nhà máy này, tất cả các thiết bị vô tuyến, bao gồm cột ăng ten và các cơ sở hạ tầng khác đều do một công ty tư nhân sở hữu và điều hành, thường là cùng một công ty sở hữu tài sản đang được giám sát. Chúng liên quan đến số vốn đầu tư đáng kể để triển khai và chi phí hoạt động đáng kể để vận hành và duy trì. Vì vậy, chúng đang dần được thay thế bằng cách sử dụng công nghệ hiện đại và cởi mở hơn. Tuy nhiên, chúng mang lại lợi ích về mặt băng thông được đảm bảo và độ trễ thấp.
Các công nghệ không dây IIoT vẫn tiếp tục được phát triển và giới thiệu ra thị trường. Một số trong số chúng được nhắm mục tiêu vào các vấn đề mà công nghệ không dây hiện tại không thể giải quyết. Tuy nhiên, trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung vào công nghệ LoRa mới và ứng dụng của nó trong IoT công nghiệp.
LoRa là gì? Cách mà chúng hoạt động?
LoRa là một công nghệ vô tuyến công suất thấp được thiết kế để sử dụng trong các ứng dụng có phạm vi phủ sóng địa lý lớn, khối lượng và tốc độ dữ liệu tương đối nhỏ. Đặc điểm chính của LoRa là chi phí triển khai và vận hành rất thấp. Công nghệ vô tuyến có sẵn với giá đủ thấp để thuyết phục cho việc đưa nó trực tiếp vào ngay cả những cảm biến đơn giản nhất và sử dụng lượng điện năng đủ nhỏ để cho phép các cảm biến này hoạt động từ nguồn cung cấp bằng pin trong nhiều năm, tùy theo tình huống hoạt động.
Điều đầu tiên cần hiểu là thuật ngữ LoRa chỉ đề cập đến công nghệ vô tuyến cơ bản này và không xác định bất kỳ định dạng đặt tên hoặc tải trọng dữ liệu nào cần thiết để truyền tải thông tin giữa các vị trí. Các định dạng này được xếp lớp bên trên hệ thống radio bên dưới, và về cơ bản có hai loại.
- Các nhà cung cấp thiết kế giao thức độc quyền của riêng họ. Các hệ thống này, được gọi là Hệ thống LoRa độc quyền, ban đầu có lợi thế ở chỗ chúng cho phép các nhà cung cấp đưa sản phẩm ra thị trường trước khi các tiêu chuẩn được thiết lập đầy đủ. Ngay cả sau khi tiêu chuẩn hóa, chúng vẫn có một vị trí trong các ứng dụng chuyên biệt đòi hỏi các tính năng thích hợp hoặc tối ưu hóa cao trong một hệ thống. Tuy nhiên, họ gặp phải bất lợi lớn là người dùng bị khóa hoàn toàn vào hệ sinh thái cảm biến, gateway và dịch vụ doanh nghiệp của nhà cung cấp, với ít hoặc không có tùy chọn tích hợp cảm biến hoặc thiết bị của bên thứ ba. Chúng cũng thường không tương thích với cơ sở hạ tầng LoRa công cộng và chỉ khả dụng trên các mạng riêng.
- LoRaWAN. Để giải quyết vấn đề về tính mở và khả năng tương tác giữa các cảm biến và gateway, một lớp giao thức đã được liên minh LoRaWAN xác định để xác định các quy ước đặt tên và tải trọng trong hệ thống. Điều này có nghĩa là bất kỳ cảm biến LoRaWAN nào cũng phải giao tiếp với bất kỳ cổng LoRaWAN nào, cho phép người dùng chọn các tùy chọn giống tốt nhất cho mỗi điểm đo và truyền hoặc mua một hệ thống từ một nhà cung cấp an toàn với hiểu biết rằng nó có thể được mở rộng bằng cách sử dụng các nhà cung cấp khác 'các thiết bị trong tương lai.
LoRaWAN có thể được triển khai trên cả mạng công cộng và mạng riêng. Trong mạng công cộng, tất cả các gateway và cơ sở hạ tầng đám mây đều do bên thứ ba cung cấp. Người dùng có thể kết nối cảm biến LoRaWAN với mạng và có thể truy cập dữ liệu kết quả thông qua cổng thông tin của bên thứ ba (được gọi là máy chủ mạng trong kiến trúc LoRa). Khái niệm này tương tự như một mạng di động trong đó người dùng kết nối điện thoại của họ với một dịch vụ của nhà cung cấp mạng cụ thể, đổi lại họ sẽ phải trả phí thông thường. Nó cũng có những nhược điểm tương tự đối với hệ thống di động, trong đó người dùng không có dấu hiệu hoặc kiểm soát thực sự đối với số lượng bên thứ ba đang chia sẻ cùng một cơ sở hạ tầng và do đó sẽ gặp khó khăn trong việc duy tri hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Tuy nhiên, một sự thay thế thú vị trong thế giới công nghiệp là khả năng cho người dùng dễ dàng triển khai các mạng cổng kết nối riêng để tạo ra hệ thống riêng của họ. Trong thiết lập này, dữ liệu của họ không bao giờ được đặt trên cơ sở hạ tầng dùng chung. Người dùng có thể tạo lại kiến trúc LoRaWAN cổ điển, với một máy chủ mạng được đặt trong trung tâm dữ liệu của họ. Tuy nhiên, việc cung cấp một số hệ thống xử lý biên trong các gateway để chuyển đổi dữ liệu LoRaWAN thành thứ dễ dàng sử dụng hơn bởi các hệ thống IT, chẳng hạn như MQTT hoặc REST, và cung cấp khả năng xử lý và tổng hợp sự kiện trước khi truyền trở đi.
Một số trường hợp sử dụng thực tế của LoRa
Công nghệ không dây thường được khách hàng công nghiệp coi là “công nghệ IT”. Các câu hỏi phổ biến nhất mà chúng tôi nghe được liên quan đến cách sử dụng công nghệ này cho các hệ thống OT.
- Để tối đa hóa hiệu quả?
- Cung cấp dữ liệu thời gian thực?
- Để mang lại lợi tức đầu tư có thể định lượng được?
Ở đây chúng tôi chia sẻ ba case study điển hình về các ứng dụng LoRa sử dụng các sản phẩm của Advantech.
Tự động hóa nhà máy
- Vấn Đề
Khách hàng của Advantech cần khôi phục dữ liệu từ các tài sản từ xa. Các tài sản này đã có các cảm biến thông minh được kết nối với chúng, có khả năng cung cấp thông tin về mức tiêu thụ khí đốt, nước và điện thông qua giao diện Modbus, nhưng các cảm biến cách xa phòng điều khiển vài km, với rất nhiều bức tường bê tông, tòa nhà và các vật cản khác trong giữa họ. Chi phí lắp đặt cáp hoặc bộ đàm thông thường để khôi phục thông tin là rất cao. Ngoài ra, hệ thống phòng điều khiển hoạt động bằng Modbus-TCP và yêu cầu chuyển đổi giao thức giữa các cảm biến và SCADA của máy chủ là cần thiết.
- Giải Pháp
Những vấn đề này đã được khắc phục bằng cách triển khai các nút Wzzard LoraWAN có khả năng tích hợp cục bộ dữ liệu Modbus và chuyển dữ liệu này qua mạng LoRaWAN riêng sang gateway LoRaWAN riêng. Các gateway này có thể khôi phục dữ liệu qua kết nối LoRaWAN và sử dụng dữ liệu này cho hệ thống SCADA bằng cách trình bày nó ở định dạng Modbus-TCP.
- Lợi Ích
Trước khi thực hiện giải pháp này, nhà máy đã sử dụng sơ đồ khôi phục dữ liệu thủ công từ các cảm biến. Điều này làm tốn tài nguyên lao động và đưa vào hệ thống một nguồn lỗi có thể xảy ra. Việc loại bỏ những vấn đề này mang lại lợi ích đáng kể trong môi trường nhà máy nơi người dùng thường có nhiều cơ sở được cài đặt của PLC, RTU, cảm biến và các thiết bị Modbus cũ khác hoạt động biệt lập khi dữ liệu có giá trị đối với tổ chức nhưng không thể khôi phục về mặt kinh tế.
Dự báo sản xuất
- Vấn Đề
Một case study khác là trong ngành nông nghiệp. Khách hàng này cần khả năng thu thập dữ liệu môi trường thô từ một số nhà kính quy mô công nghiệp, nhưng chi phí đi dây xung quanh các địa điểm là không kinh tế. Ngoài ra, nhiều địa điểm ở những vị trí xa xôi không có kết nối đường dây cố định để giảm tải dữ liệu.
Dữ liệu họ cần bao gồm các yếu tố khí hậu như tốc độ và hướng gió, nhiệt độ, lượng mưa và bức xạ mặt trời, có thể được lấy từ một điểm đo duy nhất cho toàn bộ nhà kính. Họ cũng cần thông tin về tình trạng đất được lấy từ một số điểm xung quanh cấu trúc, với một nhà kính điển hình chiếm diện tích khoảng 3 km2.
- Giải Pháp
Chi phí đi dây đã được loại bỏ bằng cách sử dụng các nút Wzzard LoRaWAN để thu thập thông tin trạng thái đất từ các cảm biến đất và gateway riêng WISE-6610 LoRaWAN. Gateway này cung cấp một số chức năng. Đầu tiên, nó tạo mạng LoRaWAN riêng và khôi phục thông tin được gửi bởi các nút Wzzard LoRaWAN. Thứ hai, nó giao tiếp trực tiếp với các cảm biến khí hậu và khôi phục thông tin này thông qua một giao diện liên lạc cục bộ. Cuối cùng, nó cung cấp dữ liệu thông qua kết nối di động 4G LTE, có nghĩa là giải pháp có thể được triển khai ở bất kỳ nơi nào có vùng phủ sóng di động.
- Lợi Ích
Khách hàng này đã có thể cải thiện hiệu quả sản xuất và hậu cần, và hiện có thể cung cấp thông tin chi tiết về dự báo sản xuất từ môi trường nhà kính cho khách hàng của họ bằng cách sử dụng phân tích dữ liệu lớn.
Giám sát môi trường
- Vấn Đề
Chúng tôi cũng sử dụng công nghệ của riêng mình trong nội bộ. Cơ sở Dịch vụ Châu Âu của Advantech có yêu cầu thu thập dữ liệu môi trường từ xung quanh địa điểm, bao gồm cả văn phòng và cơ sở kho hàng của chúng tôi.
Điều cần thiết là các giải pháp cần có thể hoạt động trong một tòa nhà xây dựng bằng thép và bê tông, với không gian giá đỡ bằng thép lớn và sự di chuyển liên tục của con người và đồ vật trong môi trường. Điều cần thiết là giải pháp chạy bằng pin có thể được triển khai cho các điểm giám sát, vì nguồn điện lưới không phải lúc nào cũng có sẵn.
- Giải Pháp
Chúng tôi có thể cung cấp các cảm biến LoRaWAN cần thiết từ các bên thứ ba, đo nhiệt độ và độ ẩm, trạng thái đóng / mở cửa, mức độ chiếu sáng, PIR cho người ở trong phòng, v.v. và, vì chúng tôi hỗ trợ các giao thức LoRaWAN mở, nên đã có thể khôi phục thông tin qua một mạng LoRaWAN riêng được tạo bởi gateway WISE-6610 của chúng tôi. Sau khi được phục hồi bởi gateway, dữ liệu được gửi tới phần mềm SCADA cung cấp khả năng hiển thị và lưu trữ dữ liệu.
- Lợi Ích
Việc thiết lập này cung cấp cho các quản trị viên văn phòng một cái nhìn tổng quan đầy đủ về các điều kiện môi trường trong khuôn viên của chúng tôi và cho phép họ phản ứng khi cần thiết.
/Wzzard_Slope _S20190430013653.jpg)
