Como Implantar uma Conectividade Sem Fio Segura e Robusta para Energia e Serviços Públicos Inteligentes

As comunicações sem fio, incluindo redes locais e conectividade em nuvem, são um elemento essencial em uma variedade de sistemas inteligentes de energia e serviços públicos, incluindo medição do consumo de energia, infraestrutura crítica, sistemas de energia verde, veículos elétricos, modernização da rede, rede inteligente e cidades inteligentes. Essas aplicações frequentemente envolvem conectividade de borda e exigem baixa latência, comunicação previsível e segura que pode ser suportada usando IEEE 802.15.4, Zigbee, Bluetooth e outros protocolos. Em alguns casos, eles podem se beneficiar de um protocolo sem fio de baixa potência e alta produtividade, como o padrão IEEE 802.11 g/n, que fornece acesso à rede com alta taxa de dados em aproximadamente 300 metros ao ar livre.

Além disso, esses dispositivos sem fio devem atender às normas da Comissão Federal de Comunicações (FCC) nos Estados Unidos, às exigências do European Telecommunications Standards Institute (ETSI), às EN 300 328 e EN 62368-1 na Europa, à Innovation, Science and Economic Development (ISED) no Canadá, ao Ministry of Internal Affairs and Communications (MIC) no Japão, entre outros. Projetar a conectividade sem fio e obter as certificações necessárias pode ser demorado, resultando em aumento de custos e prolongando o tempo de colocação no mercado. Em vez disso, os projetistas podem recorrer a módulos de comunicação sem fio pré-projetados e certificados e plataformas de desenvolvimento que podem ser facilmente integradas a dispositivos inteligentes de energia e serviços públicos.

Este artigo começa revendo várias opções e arquiteturas de comunicação para redes locais e conectividade em nuvem, incluindo opções de redes cabeadas e sem fio. Depois oferece várias plataformas sem fio da Digi, Silicon Labs, Laird Connectivity, Infineon e STMicroelectronics para a implantação de conectividade sem fio segura e robusta para energia e serviços públicos inteligentes, incluindo ambientes de desenvolvimento, para acelerar o processo de projeto.

Grandes oportunidades e desafios

Grandes desafios muitas vezes acompanham as grandes oportunidades. Esse é certamente o caso ao implantar energia e serviços públicos inteligentes na infraestrutura da cidade inteligente. Em primeiro lugar, há a necessidade de integrar efetivamente a infraestrutura existente e a antiga. Depois, há a necessidade de implantar redes geograficamente dispersas e tecnologicamente heterogêneas, que sejam eficientes e robustas. Finalmente, espera-se que essas redes ofereçam a flexibilidade necessária para lidar com futuros desenvolvimentos tecnológicos, como o surgimento de veículos inteligentes e conectados.

Por exemplo, sistemas avançados de gerenciamento de tráfego automatizado podem aumentar a segurança, melhorar o uso de energia e reduzir o impacto ambiental de carros, ônibus e outros veículos. Nesse caso, o sistema de gerenciamento de tráfego centralizado é conectado à rede através de comunicações de fibra de alta largura de banda e backhaul sem fio. Outros elementos do sistema podem incluir (Figura 1):

• Roteadores Ethernet e celulares que suportam dispositivos habilitados por IP a nível local. Em alguns casos, a alimentação via Ethernet (PoE) é adicionada para ampliar a utilidade da rede e os custos de controle.
• Equipamentos antigos podem ser integrados através de conexões dedicadas e portas seriais.
• Os dispositivos locais Wi-Fi e Bluetooth podem monitorar as densidades de tráfego e pedestres com dados anônimos. Os dados resultantes podem ser analisados localmente e enviados para o sistema central de gerenciamento de tráfego para tomada de decisões e funções de controle de nível superior.
• Uma combinação de câmeras de tráfego, sensores como radar ou lidar e outras fontes de dados são usados tanto nos controladores de tráfego locais avançados de estado sólido (ASTCs) quanto enviados para o centro de gerenciamento centralizado para otimização em tempo real dos fluxos de tráfego.

Figura 1: o gerenciamento automatizado de tráfego em uma cidade inteligente abrange desde a detecção via Wi-Fi de pedestres e veículos até câmeras de tráfego e controladores ASTC e um gerenciamento e controle de tráfego centralizados. (Fonte da imagem: Digi)

A eficiência energética geral, a segurança pública e a redução do impacto ambiental das rodovias urbanas podem ser melhoradas por:

• Detectar e minimizar congestionamentos modificando os fluxos de tráfego e a sincronização do sinal em tempo quase real com uma combinação de controles locais e centralizados.
• Ajustar a sincronização do sinal para suportar a operação eficiente e dentro do cronograma dos ônibus e outras formas de trânsito de massa.
• Disponibilizar aos socorristas roteiros otimizados em tempo real para acelerar sua chegada e minimizar o impacto geral sobre a segurança pública.

Cidades inteligentes do futuro

As cidades inteligentes de hoje ainda são, em sua maioria, um trabalho em andamento. Há amplas oportunidades para melhorias e avanços. As futuras cidades inteligentes se concentrarão cada vez mais na eficiência energética integrada e na melhoria da qualidade de vida. Veículos elétricos (e-veículos) e veículos inteligentes ou autônomos se tornarão a norma. Eles serão integrados à casas inteligentes, infraestrutura de carregamento inteligente, sistemas de entrega inteligentes e sistemas de transporte de ponta a ponta, incluindo trens, trens leves e ônibus, e táxis robóticos elétricos para o "trecho final da viagem".

Os residentes usarão smartphones para uma variedade crescente de usos, incluindo a compra de passagens de ônibus e de trem, acelerando o processo e reduzindo ainda mais o impacto ambiental do transporte. Embora o transporte continue sendo o principal uso dos e-veículos, não é o único.

Veículos comerciais como caminhões, ônibus, furgões de carga e entrega, e equipamentos de construção são responsáveis por cerca de um quarto das emissões de CO₂ em uma cidade e de cerca de 5% das emissões totais de gases de efeito estufa (GEE), de acordo com a Infineon. Será necessário desenvolver uma infraestrutura de carregamento integrada para atender as baterias maiores nesses veículos comerciais, além de carregar veículos de passageiros e e-bikes. A infraestrutura de carregamento precisará ser interligada e controlada de maneira centralizada para maximizar a velocidade de carregamento para os diversos tipos de veículos e seus casos de uso.

Para suportar impactos ambientais reduzidos e melhorias na qualidade de vida e no uso eficiente de energia, serão necessárias redes sem fio complexas em tempo real que monitorem a operação de fontes de energia renováveis dispersas, micro redes e armazenamento de energia, otimizem a utilização de energia, gerenciem o uso e perda de água e gerenciem uma ampla variedade de sistemas de transporte, entre outros. Essas redes em tempo real devem ser robustas e ter latências mínimas (Figura 2). Para apoiar a infraestrutura da cidade inteligente, os projetistas precisam de ferramentas que permitam o rápido desenvolvimento, implantação e atualização de redes de comunicação complexas e dispositivos conectados.

Figura 2: os serviços da cidade inteligente dependerão de redes sem fio robustas e em tempo real para conectar diversas aplicações. (Fonte da imagem: Infineon)

Rede segura com módulos sem fio

Para implantar rapidamente uma rede segura, os projetistas podem recorrer aos módulos sem fio XBee RR da Digi baseados no sistema sem fio em chip (SoC) EFR32MG21B020F1024IM32-BR da Silicon Labs que inclui um núcleo ARM Cortex-M33 de 80 MHz e um subsistema de segurança integrado. Os módulos XBee utilizam múltiplos protocolos sem fio e bandas de frequência como Zigbee, 802.15.4 e DigiMesh, bem como Bluetooth de baixa energia (BLE) para suportar uma ampla variedade de arquiteturas de rede. DigiMesh é um protocolo de rede ponto-a-ponto que pode reduzir a complexidade do uso do Zigbee para configurações ponto-a-multiponto. Esses módulos suportam BLE e a conexão com outro dispositivo BLE.

As conexões de Smartphone podem ser usadas para configurar e programar os módulos usando o aplicativo móvel XBee. Além disso, os desenvolvedores podem usar a plataforma de configuração XCTU compatível com Windows, MacOS e Linux. A XCTU utiliza uma visualização gráfica da rede para simplificar a configuração da rede sem fio e uma ferramenta de desenvolvimento de frames API para construir rapidamente os frames API da XBee. As características e opções de outros módulos incluem:

• As opções de invólucro incluem dispositivos de micro montagem de 13 milímetros (mm) x 19 mm como o XBRR-24Z8UM, módulos de montagem em superfície como o XBRR-24Z8PS-J e configurações de furo passante como o XBRR-24Z8ST-J (Figura 3)
• A versão PRO é certificada pela FCC para uso na América do Norte e a versão padrão atende às normas ETSI para uso na Europa
• Configurações de módulos de baixa e alta potência
• Alcance interno/urbano de até 90 metros (m) (300 pés), dependendo das condições
• Dependendo das condições, o alcance da linha de visada externa é de até 3.200 m (2 milhas)
• O aplicativo integrado de segurança IoT simplifica a integração da segurança e da identidade do dispositivo e da privacidade dos dados

Figura 3: As opções de invólucro dos módulos sem fio Digi XBee incluem micro montagem (esquerda), montagem em superfície (centro) e furo passante (direita). (Fonte da imagem: DigiKey)

Gateways inteligentes

Os módulos Sterling LWB+ da Laird Connectivity, como o 453-00084R, são módulos que combinam WLAN 2,4 GHz e Bluetooth de alto desempenho projetados para dispositivos IoT sem fio e gateways inteligentes. Eles são baseados no CI de rádio de chip único AIROC CYW43439 da Infineon e apresentam uma faixa de temperatura de operação de -40 °C a +85 °C, tornando-os adequados para uma variedade de aplicações de serviços públicos inteligentes e cidade inteligente, e energia. Os módulos Sterling LWB+ possuem certificações globais, incluindo FCC, ISED, UE, MIC e AS/NZS.

Os módulos Sterling LWB+ incluem o controle de acesso médio (MAC), banda de base e rádio, mais uma UART independente de alta velocidade para interfaces Bluetooth. Laird Connectivity e Infineon suportam os mais recentes drivers Android e Linux. O chip de antena integrado é resistente a dessintonia e simplifica o projeto e a fabricação do sistema. A série Sterling LWB+ é um sistema em pacote (SIP) e está disponível com um pino de trilha, chip de antena integrado ou conector MHF4. Eles também incluem criptografia WPA/WPA2/WPA3. Esses módulos estão disponíveis em quatro estilos de invólucro, para atender às necessidades de diversos projetos de sistemas e requisitos de aplicação (Figura 4).

Figura 4: SIP do Sterling LWB+ básico (esquerda), módulo com conector MHF (segundo da esquerda), módulo com antena integrada (terceiro da esquerda) e conector de borda de placa (direita). (Fonte da imagem: Laird Connectivity)

O Sterling-LWB+ inclui uma entrada e saída digital (SDIO) segura e de alto desempenho que suporta fácil integração com qualquer sistema baseado em Linux ou Android. Para acelerar o desenvolvimento de dispositivos IoT sem fio e gateways inteligentes, os projetistas podem recorrer ao kit de desenvolvimento 453-00084-K1, que inclui o módulo 453-00084R com um conector MHF integrado (Figura 5).

Figura 5: essa placa de desenvolvimento inclui o módulo Sterling LWB+ 453-00084R da Laird com um conector MHF integrado (Fonte da imagem: Laird Connectivity)

Nós sensores sem fio de grau industrial

Os nós sensores sem fio são uma parte importante dos serviços públicos e da energia inteligentes nas cidades inteligentes. Para ajudar os projetistas a lidar com a complexidade de projetar, prototipar e testar rapidamente nós sensores sem fio avançados, a STMicroelectronics oferece o kit de desenvolvimento SensorTile STEVAL-STWINKT1B e o projeto de referência. Inclui uma placa de expansão X-NUCLEO-SAFEA1A que suporta autenticação do dispositivo IoT e gerenciamento seguro de dados, um módulo transceptor Bluetooth BLUENRG-M2SA e um microfone MEMS IMP23ABSUTR. O microfone MEMS foi projetado para ser usado com o microcontrolador embarcado de ultra baixa potência para análise de vibração de dados de detecção de movimento de 9 graus de liberdade (DoF) em uma ampla faixa de frequências de vibração, de 35 Hz até ultrassom. Também inclui um acelerômetro, giroscópio, sensor de umidade, magnetômetro e sensores de pressão e temperatura.

O kit de desenvolvimento SensorTile inclui acesso a uma série de pacotes de software, bibliotecas de firmware e aplicações de painel de controle em nuvem para acelerar o desenvolvimento de sistemas completos de sensores IoT de ponta a ponta. Um módulo integrado fornece conectividade BLE, o transceptor RS484 suporta conexões com fio e a placa de expansão plug-in STEVAL-STWINWFV1 oferece conectividade Wi-Fi. A placa principal inclui um conector STMod+ para adicionar placas-filhas de fator de forma pequeno baseadas na família de microcontroladores STM32. Finalmente, o kit de desenvolvimento consiste de uma bateria de polímero de lítio de 480 mAh, uma sonda de depuração e programação autônoma STLINK-V3MINI e uma caixa plástica (Figura 6).

Figura 6: o kit de desenvolvimento SensorTile STEVAL-STWINKT1Ba e o projeto de referência incluem um conjunto abrangente de sensores ambientais e suporte para várias opções de conectividade. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

Resumo

É necessária uma variedade de protocolos de conectividade sem fio para suportar as necessidades de energia e sistemas de serviços públicos inteligentes em cidades inteligentes. Esses sistemas podem aumentar a eficiência energética, melhorar a segurança pública, apoiar um uso mais eficiente da água e da energia e reduzir as emissões de CO₂ e de GEE. Como mostrado, há uma variedade de módulos sem fio e ambientes de desenvolvimento para Wi-Fi, Zigbee e protocolos sem fio Bluetooth de baixa energia que podem fornecer a conectividade segura e robusta necessária para energia e serviços públicos inteligentes em infraestruturas de cidade inteligente.