Sprzęt i otwarte oprogramowanie dla modułów radia programowalnego (Software-defined radio – SDR) stanowi alternatywę dla firmowych systemów komunikacji bezprzewodowej, wspierając rozwój i zwiększenie efektywności sieci Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT).

Pomimo toczących się wciąż wielu dyskusji na temat tego, w jaki sposób Przemysłowy Internet Rzeczy (IIoT) wpłynie na automatykę przemysłową, nadal nie istnieje żadna technologia, która ujednolica łączenie ze sobą różnych „rzeczy” w sieci, co skutkuje brakiem kompatybilności pomiędzy systemami, które miałyby stanowić elementy struktur sieciowych IIoT. Jednak próby w tym kierunku wciąż są podejmowane, a jedną z nich jest możliwość realizacji połączenia pomiędzy urządzeniami wykorzystującymi różniące się od siebie standardy bezprzewodowe za pomocą technologii tzw. radia programowalnego (SDR) – czyli modułu z interfejsem komunikacji radiowej, bazującego na otwartym oprogramowaniu (open source). Takie podejście pozwoli na rozwiązanie problemów wynikających z braku kompatybilności różnych interfejsów komunikacji radiowej i umożliwi ekspansję technologii IIoT do szeregu aplikacji przemysłowych, w których usieciowienie oferuje znaczne korzyści. To z kolei powinno się przyczynić do poprawy wydajności i niezawodności procesów produkcji, gdy tymczasem pewien wiodący producent sprzętu komunikacyjnego oszacował, że obecnie ponad 90% maszyn w przemyśle nie jest jeszcze podłączonych do żadnej sieci informatycznej.

Schemat blokowy układu elektronicznego radia programowalnego LimeSDR. LimeSuite jest darmowym i otwartym oprogramowaniem, przeznaczonym do programowania układów elektronicznych LimeSDR. Graficzny interfejs użytkownika (GUI) tego oprogramowania pozwala na kontrolę nad funkcjami chipa radiowego (RF) tego urządzenia, takimi jak szerokość pasma i częstotliwość.

Niekompatybilne standardy bezprzewodowe

Główną barierą na drodze do większego stopnia usieciowienia jest obecna sytuacja, w której do większości zakładów przemysłowych dostarczane są maszyny pochodzące od wielu producentów. Każdy z tych producentów z reguły reprezentuje różne podejście do adaptacji technologii IIoT, które w szczególności obejmuje łączność bezprzewodową w celu uzyskania jak największej elastyczności, jednak bez zwrócenia szczególnej uwagi na kwestie interoperacyjności pomiędzy standardami dotyczącymi połączeń i protokołów bezprzewodowych. Te standardy i protokoły to obecnie najczęściej: Wi-Fi, NB-IoT (zwany także Cat-NB1), LTE MTC Cat M1, Long Range (LoRa), SigFox, Ingenu, WirelessHART, Weightless, 2G w formie GSM o rozszerzonym zasięgu dla IoT (EC–GSM-IoT), 3G, Bluetooth Low Energy (BLE, technologia Blutooth dla aplikacji wymagających niewielkiego zużycia energii) oraz ZigBee.

Każda z tych technologii ma zarówno swoje zalety, jak i ograniczenia, a sam dobór może być narzucony przez konkretny przypadek użycia. Schematy organizacyjne sieci LPWAN (low-power wide-area network, sieć rozległa małej mocy), takie jak LoRa, NB-IoT oraz SigFox, są lepiej dopasowane do połączeń o większym zasięgu, ale mniejszej przepustowości, podczas gdy połączenia radiowe za pomocą technologii Wi-Fi czy Blutooth są bardzo popularne, jednak ich zasięg jest ograniczony. Obecnie do użytku wchodzi odmiana Wi-Fi o nazwie HaLow. Wykorzystuje ona pakiety IP do transmisji danych oraz niższe częstotliwości do transmisji sygnałów radiowych, które umożliwiają uzyskanie większego zasięgu oraz większej penetracji przeszkód.

Niekompatybilne systemy są problemem dla każdego działu informatycznego (IT) w zakładzie, który zamierza przejść na technologię Przemysłu 4.0, ponieważ w tym celu może być konieczne zainstalowanie wielu koncentratorów i bram sieciowych umożliwiających zbieranie i sortowanie danych.

Moduły radiowe typu SDR mogą obsługiwać szeroki zakres technologii bezprzewodowych. Moduł ma kompaktowe wymiary, jest programowalny, wykorzystuje otwarte oprogramowanie, realizuje połączenia typu full duplex (informacje są przesyłane w obu kierunkach jednocześnie, bez spadku transferu) oraz może być konfigurowany za pomocą pobranej (np. z App Store) aplikacji na urządzenia mobilne (app-enabled).

Takie radio wymaga układu obsługującego komunikację radiową oraz układu sterującego. Funkcje te spełniają: chip FPRF (field programmable radio frequency) z podwójnym transceiverem oraz chip FPGA (field-programmable gate array, bezpośrednio programowalna macierz bramek). Moduł radia jest podłączany do odpowiedniego komputera, zwykle klasy PC, poprzez port USB 3.0 lub interfejs PCI.

Do obsługi radia programowalnego może być wykorzystany procesor pracujący pod systemem operacyjnym Linux oraz aplikacje typu open source z projektu SoapySDR. Mogą one być użyte bez zmian („as is”) lub zmodyfikowane w celu dokładnego dopasowania do wymagań. Aplikacje typu open source, bazujące na systemie Ubuntu, są dostępne dla łączności GSM i LoRa z aktywnym ekosystemem pracującym z całym mnóstwem nowych aplikacji. Projektanci sprzętu mogą wykorzystać w modułach radiowych układy FPGA firmy Intel do kodowania i dekodowania danych formatowanych wg z różnych standardów łączności bezprzewodowej. Do tego celu udostępniane jest otwarte oprogramowanie dla modułów radia programowalnego. Układy FPGA mogą także być wykorzystane do szyfrowania danych w celu uniknięcia przesyłania danych niezabezpieczonych.

Główną zaletą otwartego oprogramowania jest to, że jego funkcjonalność może być modyfikowana w celu dopasowania jej do potrzeb aplikacji. Dostępna dokumentacja pozwala inżynierowi oprogramowania prześledzić i zrozumieć działanie kodu. Ponadto fora i blogi w sieci Internet mogą zawierać dodatkowe informacje i odpowiedzieć na wiele często zadawanych pytań (FAQ), zaś społeczność open source może pomóc w identyfikacji problemów i uzyskaniu odpowiedzi na konkretne pytania. Ponadto inżynier oprogramowania może rozpocząć pracę od pobrania z Internetu plików LoRa, a następnie rozbudować system radia SDR tak, aby obsługiwał inne technologie.

Dostępne są opcje modyfikacji systemu radia programowalnego. Przykładowo SoapySDR (interfejs programowania aplikacji, API oraz biblioteka uruchomieniowa – RTL) nie jest związany z żadnym producentem sprzętu (vendor neutral) i oferuje programistom bibliotekę wsparcia (support library). Dzięki temu programista może uzyskać dostęp do interfejsów programowania aplikacji C++, funkcji/klas opakowujących (wrappers) języka C oraz interfejsów wiązania danych (bindings) języka Python. Dane obejmują szczegółowe objaśnienia działania różnych kodów, co może stanowić punkt startowy dla nowego projektu oprogramowania.

Do programowania radia SDR jest używane darmowe i otwarte oprogramowanie. Graficzny interfejs użytkownika (GUI) umożliwia kontrolę nad parametrami chipu radiowego, takimi jak szerokość pasma czy częstotliwość.

Jest to osiągane przy wykorzystaniu chipa FPGA do ładowania danych przez szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych (SPI), w celu ustawienia wymaganego standardu łączności bezprzewodowej. Wgrywanie danych do układów na płytce PCB radia może być realizowane w czasie rzeczywistym, natomiast działanie systemu może być sprawdzane za pomocą techniki symulacji HIL (hard-ware-in-the-loop). Gdy projekt RF jest gotowy, ustawienia chipa FPRF mogą być zapisane w celu wykorzystania w systemie końcowym.

Logika sterująca w chipie FPGA

Logika sterująca dla radia programowalnego jest realizowana w chipie FPGA, zaś polecenia mogą być wgrane do modułu za pomocą portu USB. Funkcje FPGA mogą być obecnie łatwo modyfikowane. Zadanie to poprzednio należało do zespołu projektantów sprzętu, którzy posiadali wyspecjalizowane umiejętności. Fakt ten był uznawany przez producentów za jedną z największych barier na drodze do szerszej implementacji uniwersalnych układów FPGA w elektronice. Ich wprowadzenie i ułatwienie programowania znacząco upraszcza zadania i pracę informatykom lub ludziom niebędącym specjalistami z zakresu zaawansowanej elektroniki.

Technologia IIoT jest integralną częścią drogi ku bardziej zaawansowanym funkcjonalnie systemom i modułom automatyki przemysłowej, a łączność bezprzewodowa w sieci musi mieć swoje miejsce w ogólnej strategii IIoT. Niektóre opcje podejścia do organizacji sieci bezprzewodowych eksploatują nielicencjonowane spektrum sieci rozległych typu LPWAN, podczas gdy inni mogą wdrażać pojawiające się standardy łączności komórkowej. Perspektywa, że jedna technologia komunikacji bezprzewodowej pokryje wszystkie wymagania różnorodnych aplikacji przemysłowych, jest raczej mało prawdopodobna, co generuje z kolei potrzebę posiadania i implementacji konfigurowalnej bramy sieciowej, przeznaczonej do obsługi wielu opcji komunikacji bezprzewodowej. Komunikacja przy wykorzystaniu radia SDR i otwartego oprogramowania stanowi alternatywę dla firmowych systemów komunikacji bezprzewodowej.

Paul Dillien jest konsultantem w firmie High Tech Marketing.