Łączność bezprzewodowa w systemach inteligentnego zarządzania energią i mediami

Łączność bezprzewodowa, w tym sieci lokalne i łączność w chmurze, jest niezbędnym elementem szeregu systemów inteligentnego zarządzania energią i instalacji użytkowych, w tym liczników energii, infrastruktury krytycznej, systemów zielonej energii, pojazdów elektrycznych, modernizacji sieci energetycznej, inteligentnych sieci energetycznych oraz inteligentnych miast. Zastosowania te często wykorzystują łączność brzegową i wymagają niskiej latencji oraz przewidywalnej i bezpiecznej komunikacji, z obsługą protokołów IEEE 802.15.4, Zigbee, Bluetooth i innych. W niektórych przypadkach korzystne może być zastosowanie w nich protokołu bezprzewodowego niskiej mocy i wysokiej przepustowości, takiego jak standard IEEE 802.11 g/n, który zapewnia dostęp do sieci o dużej szybkości transmisji danych na odległość do około 300 metrów na zewnątrz.

Ponadto wspomniane urządzenia bezprzewodowe muszą spełniać normy Federalnej Komisji Łączności (FCC) w USA, wymagania Europejskiego Instytutu Norm Telekomunikacyjnych (ETSI) oraz norm EN 300 328 i EN 62368-1 w Europie, normy Innovation, Science and Economic Development (ISED) w Kanadzie, normy Ministerstwa Spraw Wewnętrznych i Komunikacji (MIC) w Japonii i inne. Projektowanie systemów łączności bezprzewodowej i uzyskiwanie potrzebnych certyfikatów może być czasochłonne, co powoduje wzrost kosztów i wydłużenie czasu wprowadzenia produktu na rynek. Zamiast tego projektanci mogą sięgnąć po wstępnie zaprojektowane i certyfikowane moduły i platformy rozwojowe komunikacji bezprzewodowej, które można łatwo zintegrować z inteligentnymi urządzeniami infrastruktury energetycznej i użytkowej.

Niniejszy artykuł zaczyna się od przeglądu kilku opcji i architektur komunikacyjnych sieci lokalnych i łączności w chmurze, z uwzględnieniem opcji sieci przewodowych i bezprzewodowych. W dalszej części zaproponowano kilka platform bezprzewodowych firm Digi, Silicon Labs, Laird Connectivity, Infineon oraz STMicroelectronics, służących do wdrażania bezpiecznych i solidnych urządzeń łączności bezprzewodowej na potrzeby systemów inteligentnego zarządzania energią i mediami, wraz ze środowiskami rozwojowymi przyspieszającymi proces projektowania.

Duże możliwości i wyzwania

Dużym możliwościom zazwyczaj towarzyszą duże wyzwania. Tak jest bezsprzecznie w przypadku wdrażania systemów inteligentnego zarządzania energią i mediami w infrastrukturze inteligentnych miast. Przede wszystkim istnieje potrzeba efektywnej integracji istniejącej i starzejącej się infrastruktury. Co więcej, istnieje potrzeba wdrożenia geograficznie rozproszonych i technologicznie heterogenicznych sieci o wysokiej wydajności i wytrzymałości. Wreszcie oczekuje się, że sieci te zapewnią elastyczność pozwalającą na radzenie sobie z rozwojem przyszłych technologii, takich jak inteligentne i połączone z siecią pojazdy.

Na przykład zaawansowane zautomatyzowane systemy zarządzania ruchem ulicznym mogą zwiększać bezpieczeństwo, poprawiać zużycie energii i zmniejszać wpływ samochodów, autobusów i innych pojazdów na środowisko. W tym przypadku scentralizowany system zarządzania ruchem ulicznym jest połączony z siecią za pomocą światłowodów o wysokiej przepustowości i bezprzewodowej komunikacji dosyłowej. Do jego elementów można zaliczyć (ilustracja 1):

• Routery sieci Ethernet oraz sieci komórkowej obsługujące urządzenia protokołu internetowego (IP) na poziomie lokalnym. W niektórych przypadkach w celu rozszerzenia użyteczności sieci i redukcji kosztów dodatkowo wdrażana jest opcja zasilania przez Ethernet (PoE).
• Starsze urządzenia można zintegrować poprzez specjalne połączenia i porty szeregowe.
• Lokalne urządzenia Wi-Fi i Bluetooth mogą monitorować natężenie ruchu drogowego i pieszych, anonimizując dane. Uzyskane dane można analizować lokalnie i przesyłać do centralnego systemu zarządzania ruchem ulicznym w celu podejmowania decyzji i realizacji funkcji sterowania wyższego rzędu.
• Kombinacja danych z kamer drogowych, czujników (takich jak czujniki radarowe lub czujniki w technologii LiDAR) oraz innych źródeł jest wykorzystywana przez lokalne zaawansowane półprzewodnikowe kontrolery ruchu (ASTC) oraz przesyłana do scentralizowanego centrum zarządzania w celu optymalizacji przepływu ruchu ulicznego w czasie rzeczywistym.

Ilustracja 1: Zautomatyzowane zarządzanie ruchem ulicznym w inteligentnym mieście obejmuje różne dziedziny, od wykrywania pieszych i pojazdów przez Wi-Fi, kamery drogowe i kontrolery ASTC, po scentralizowany ośrodek zarządzania ruchem ulicznym i jego kontroli. (Źródło ilustracji: Digi)

Ogólną sprawność energetyczną, bezpieczeństwo publiczne i wpływ dróg miejskich na środowisko można poprawić poprzez:

• Wykrywanie i minimalizowanie zatorów dzięki modyfikacji przepływów ruchu i czasu trwania sygnalizacji w czasie zbliżonym do rzeczywistego przy użyciu kombinacji lokalnych i scentralizowanych środków kontroli.
• Ustawienie synchronizacji sygnalizacji w taki sposób, aby umożliwiać efektywne i zgodne z harmonogramem funkcjonowanie autobusów i innych form transportu zbiorowego.
• Przekazywanie służbom ratowniczym informacji o optymalnych trasach przejazdu w czasie rzeczywistym, aby przyspieszyć ich dotarcie na miejsce i zminimalizować ogólny wpływ na bezpieczeństwo publiczne.

Inteligentne miasta przyszłości

Współczesne inteligentne miasta są nadal w większości w fazie rozwoju. Istnieje ogromny potencjał dla ulepszeń i postępu. Inteligentne miasta w przyszłości będą w coraz większym stopniu skupiać się na zintegrowanej sprawności energetycznej i poprawie jakości życia. Normą staną się pojazdy elektryczne oraz pojazdy inteligentne lub autonomiczne. Będą one zintegrowane z inteligentnymi budynkami mieszkalnymi, inteligentną infrastrukturą ładowania, inteligentnymi systemami dostaw oraz kompleksowymi systemami transportu, w tym pociągami, lekką koleją i autobusami, a także elektrycznymi robo-taksówkami obsługującymi ostatnie etapy podróży.

Mieszkańcy będą używać smartfonów do coraz większej liczby zastosowań, w tym do zakupu biletów autobusowych i kolejowych, co przyspieszy ten proces i jeszcze bardziej zmniejszy wpływ transportu na środowisko. Transport nadal będzie głównym, choć nie jedynym, zastosowaniem pojazdów elektrycznych.

Według firmy Infineon pojazdy użytkowe, takie jak ciężarówki, autobusy, samochody towarowe i dostawcze oraz sprzęt budowlany, odpowiadają za około jedną czwartą emisji CO2 w mieście i około pięć procent całkowitej emisji gazów cieplarnianych (GHG). Konieczne będzie opracowanie zintegrowanej infrastruktury na potrzeby ładowania nie tylko pojazdów osobowych i rowerów elektrycznych, ale też większych akumulatorów we wspomnianych pojazdach użytkowych. Infrastruktura ładowania będzie musiała być połączona z siecią i centralnie sterowana, aby zmaksymalizować szybkość ładowania dla różnych typów pojazdów i ich zastosowań.

Aby umożliwić redukcję wpływu na środowisko, poprawę jakości życia i efektywne wykorzystanie energii, potrzebne będą złożone sieci bezprzewodowe działające w czasie rzeczywistym z monitorowaniem działania rozproszonych odnawialnych źródeł energii, mikrosieci i magazynów energii, optymalizacją wykorzystania energii, zarządzaniem zużyciem wody i gospodarką ściekową oraz zarządzaniem szeroką gamą systemów transportowych i innych. Wspomniane sieci czasu rzeczywistego muszą być odporne i charakteryzować się minimalnymi latencjami (ilustracja 2). Do budowy infrastruktury inteligentnych miast projektanci potrzebują narzędzi, które umożliwią im szybki rozwój, wdrażanie i aktualizację złożonych sieci komunikacyjnych i urządzeń podłączonych do sieci.

Ilustracja 2: Infrastruktura techniczna inteligentnych miast będzie opierać się na solidnych sieciach bezprzewodowych działających w czasie rzeczywistym, umożliwiających połączenie różnych dziedzin zastosowań. (Źródło ilustracji: Infineon)