Pomiar drgań z bezprzewodowymi czujnikami LoraWAN

31.03.2021 Studia przypadków / Sterowanie i akwizycja danych
Pomiar drgań z bezprzewodowymi czujnikami LoraWAN
Wizerunek autora
Rafał Tutaj
Producent: Advantech
  • Zakłady przemysłowe

Pomiary wielkości fizycznych towarzyszą ludzkości od czasu pierwszych konstrukcji inżynierskich. Pierwotnie, wykonywane podczas budowy, wykorzystywane były do weryfikacji poprawności wykonywanych prac. Z biegiem czasu rosła ilość ich rodzajów oraz dokładność odczytu. Przez wieki niezmienny pozostawał fakt powiązania w jednym miejscu wielkości mierzonej, przyrządu pomiarowego oraz człowieka dokonującego odczytu.

Rewolucja przemysłowa XIX wieku wśród wielu okryć przyniosła znaczące zainteresowanie prądem elektrycznym i jego zastosowaniem w praktyce. Zaczęły powstawać maszyny i urządzenia, doskonalono jego przesyłanie na odległość. Równolegle rozpoczęto prace badawcze nad stworzeniem przyrządów pozwalających na pomiar dwóch podstawowych wielkości – prądu oraz napięcia. Pod koniec I połowy XIX wieku powstały pierwsze analogowe amperomierze i woltomierze. Ich pojawienie się umożliwiło znaczące przyspieszenie eksperymentów związanych z konstrukcją przetworników wielkości fizycznych na prąd lub napięcie. Jednym z pierwszych był Edwin Hall, tworzący w 1897 czujnik zmian pola magnetycznego.

Niestety problemy technologiczne ówczesnego przemysłu praktyczną realizację większości pomysłów do lat 30-tych XX wieku. Tak naprawdę jednak dopiero rozwój technologii półprzewodnikowej stał się fundamentem do produkcji czujników i przetworników na skalę przemysłową. Ten moment stał się krokiem milowym w sferze systemów sterowania procesami produkcyjnymi.

Instalacja automatyki początku lat 90 to lokalny sterownik PLC, zespół lokalnych czujników i umieszczone na szafie wskaźniki lub czasem panel operatorski. Więc mimo zmian w technice pomiarowej, ciągle trzeba było być w pobliżu wielkości mierzonych, czyli od początków miernictwa element obecności lokalnej pozostał.

Przełom wieków to początek „sieciowania” automatyki. Coraz powszechniejsze staje się wykorzystywanie różnego typu konstrukcji jak Profibus czy Modbus. Zaczynamy łączyć wszystko ze wszystkim. Połączenia oparte o Ethernet (jak Ethernet/IP czy ProfiNet) pozwalają na komunikację w zasadzie wszystkich elementów automatyki nawet bardzo oddalonych od siebie. Ideał ? No prawie, bo przecież ciągle pozostaje „ten kabel”, który gdzieś trzeba położyć,  zorganizować stosowną ochronę środowiskową, zadbać o separację elektryczną, zapewnić trwałość mechaniczną złącz itp. Do tego dochodzi obecny w wielu przypadkach problem zezwolenia na jego prowadzenie pomiędzy elementami infrastruktury.

Eliminacja tych problemów stała się jednym z kluczowych zadań komunikacyjnych deweloperów. Rozwój sieci komórkowych i zwiększenie ich przepustowości dawał spore nadzieje na szerokie wykorzystanie w komunikacji M2M. Istniejąca infrastruktura pozwalała na osiągnięcie dużego zasięgu oraz dużych prędkości. Niestety uzależnienie od operatorów oraz relatywnie wysokie koszty przesyłu w przypadku niewielkiej ilości danych, powodują, że  ta metoda nie znalazła oczekiwanego zastosowania w metrologii. Z drugiej strony pojawiły się technologie takie jak WiFi czy Bluetooth. Te sprawdzone w budynkach i bardzo popularne systemy są idealne do połączeń lokalnych, wymagających transferu większej ilości danych pomiędzy urządzeniami mającymi odpowiednie zasilanie w odniesieniu do wymaganej mocy nadawczej i częstości komunikacji.  Te cechy spowodowały, że niewiele jest systemów automatyki wykorzystujących te standardy.

Co więc zrobić gdy zadaniem jest bezprzewodowe przesyłanie relatywnie niewielkich paczek danych na odległości  rzędu kilku czy kilkunastu kilometrów bez ponoszenia nadmiernych kosztów. Stworzenie takiego standardu przyświecało założycielom firmy Cycleo. Głównym ich celem stało się zapewnienie możliwości monitorowania bardzo rozproszonych urządzeń pomiarowych w takich branżach jak rolnictwo, dystrybucja energii, ochrona środowiska czy zaopatrzenie w wodę. Wspólnym mianownikiem dla wszystkich jest przesyłanie informacji o zmianie stanów (alarmy) lub wartości wielkości mierzonej w dość długich interwałach pomiarowych. Rozproszenie źródeł danych to nie tylko problem odległości ale także i dostępu do zasilania. Konstruktorzy musieli zapewnić ich pracę w trybie bateryjnym w okresach liczonych w latach. Te założenia wpłynęły na inżynierów, którzy na koniec pierwszej dekady XXI wieku opracowali technologię LoRa/LoraWAN.

LoRa to tak naprawdę definicja warstwy fizycznej opisująca sposób modulacji sygnału radiowego. Wiele starszych systemów bezprzewodowych wykorzystuje na tym poziomie modulację kluczowania z przesunięciem częstotliwości (FSK) z uwagi na  wydajność umożliwiającą uzyskanie dużych odległości przy wykorzystaniu małej mocy. LoRa opiera się na modulacji z rozproszeniem widma i przemiataniem częstotliwości, która zachowuje taką samą charakterystykę niskiego poboru mocy jak modulacja FSK, ale znacznie zwiększa zasięg komunikacji. Modulacja tego typu (ale z różnymi sposobami rozpraszania) jest wykorzystywana w komunikacji wojskowej i kosmicznej od dziesięcioleci ze względu na duże odległości, które można osiągnąć, a także na odporność na zakłócenia. Należy podkreślić, że LoRa jest pierwszą implementacją przeznaczoną do masowego użytku komercyjnego. Wszystkie urządzenia pracujące w tym systemie działają w nielicencjonowanym paśmie częstotliwości określanej jako ISM (Industrial, Scientific, Medical). Zaletą tego rodzaju komunikacji jest brak opłat oraz pełna swoboda dostępu. Pewnym minusem, wymagającym dbałości o poprawną konfigurację są interferencje z innymi urządzeniami pracującymi na tych samych pasmach a należących do innych użytkowników. Zachowanie określonych w normie mocy nadawania pozwala na skuteczną eliminację problemów.

LoRaWAN definiuje protokół komunikacyjny i architekturę systemu dla sieci, której podstawą jest warstwa fizyczna LoRa. Określa przede wszystkim poszczególne elementy systemu na który składają się :

  • Źródła danych (End Node)
  • Bramy komunikacyjne (Gateway)
  • Serwery sieciowe (Network Server)
  • Aplikacje użytkowe (Application)

Źródła danych (EN) to tak naprawdę moduły wejściowe pozwalające na wprowadzanie wyników pomiarów do systemu. Zostały podzielone na trzy klasy (A,B,C) z uwagi na sposób przygotowania ramek komunikacyjnych. Im dłuższe tym więcej energii potrzeba do ich przesłania. Ma to duże znaczenie zwłaszcza w przypadku urządzeń zasilanych bateryjnie. Dlatego podstawowy mechanizm (A) implementowany jest obowiązkowo we wszystkich urządzeniach, tak by umożliwić optymalizację komunikacji. Typowe moduły wejściowe, z zewnętrznym zasilaniem, oferują szersze możliwości komunikacyjne (C). Konstrukcja oraz ilość danych powinny być tak dobrane, by zapewnić nie tylko przesłanie własnych danych, ale i umożliwić działanie innym. TTN (The Things Network), organizacja określająca zasady pracy w LoRaWAN, definiuje maksymalny czas zajętości sieci na 30 sekund na dzień dla urządzenia. Rozkładając to na dobę, można wyliczyć jak duża ilość danych i w jakiej formie może zostać wysłana.

Bramy komunikacyjne  to urządzenia zbierające informację z EN z danego obszaru. Ich ilość zależy od układu terenu i jest mocno związana z propagacją sygnału. Są one odpowiedzialne za komunikację z EN (także dwukierunkową) i zbierają dane ze wszystkich EN, jakie mają w swojej konfiguracji. Źródła danych są często podpięte do kilku kolektorów, dzięki czemu uzyskuje się pewność przekazania danych do systemu. Wymaga to jednak bardzo dużej ich przepustowości. Dzięki wykorzystaniu mechanizmu adaptacyjnej zmiany prędkości przesyłu danych ADR oraz wielokanałowej pracy nadajników, możliwa jest jednoczesna komunikacja z kilkoma EN. Krytycznymi parametrami są więc liczba dostępnych kanałów, czas nadawania (TOA), ilość danych i częstotliwość ich nadawania. Wykorzystanie zmiennego współczynnika rozproszenia (SF) pozwala na jego dopasowanie do warunków otoczenia np. wyższe wartości stosuje się w sytuacjach obecności interferencji czy zakłóceń. Wpływa to jednak na obniżenie częstotliwości przesyłania danych. Wbudowane mechanizmy optymalizacyjne, pozwalają na zachowanie jak najlepszej proporcji odpowiedniej dla każdego rodzaju komunikacji.  Możliwość zwiększania liczby bram proporcjonalnie do liczby urządzeń EN, jest jedną z istotnych zalet LoRaWAN. Daje szansę na pierwotną minimalną  konfigurację i jej rozbudowanie zgodnie z rosnącymi potrzebami.

Zadaniem serwerów sieciowych  jest dekodowanie informacji pobranej z EN i udostępnienie aplikacjom użytkowym. Z uwagi na otwartość sieci, wszystkie dane są szyfrowane i w taki sposób przekazywane od źródła EN do serwera. W LoRaWAN wykorzystywane są dwa mechanizmy (OTAA, ABP) różniące się sposobem powstawania kluczy. Ich poprawny dobór pozawala na skuteczne zabezpieczenie przy utrzymaniu odpowiedniej przepustowości. Kolejnym zadaniem serwerów sieciowych jest konieczność eliminacji powtórzonych danych. Jest to efekt stosowania kilku bram, które mogą przekazać do serwera dane z tych samych urządzeń EN. Oczywiście weryfikowana jest także spójność samych danych za pomocą mechanizmu sum kontrolnych.

Po przejściu wspomnianych procesów, otrzymane informacje są udostępniane aplikacjom użytkowym. Tu otwierają się niemalże nie ograniczone możliwości ich przetwarzania. Od prostych, lokalnych serwerów danych do systemów chmurowych. Wszystko uzależnione od wymagań stawianych całej instalacji. Dzięki skalowalności całego systemu, można projekt pomiarowy realizować etapami uruchamiając go i modyfikując w trakcie pracy. Jest to szczególnie ważne w sytuacjach, kiedy na początku prac nie ma w pełni określonego rozmiaru instalacji.

LoRaWAN w praktyce ? Przyjrzyjmy się rozwiązaniu przygotowanemu przez firmę Advantech. Składa się ono z trzech urządzeń :

  • Czujnika wibracji WISE-2410
  • Modułu wejść WISE- 4610
  • Bramy WISE-6610

Oznaczony symbolem WISE-2410 czujnik wibracji jest tak naprawdę bardzo złożonym detektorem, dającym kompleksową informację o pracy urządzenia będącego w ruchu. Oferuje dostęp do szeregu istotnych parametrów takich jak

  • Poziom wibracji w trzech osiach X,Y,Z
  • Szybkość zmian, liczona metodą RMS oraz wartości szczytowe
  • Analiza statystyczna pomiarów w postaci odchylenia standardowego, przesunięcia charakterystyki, współczynnika kształtu
  • Temperatura

Korzystając z oprogramowania Advantech WISE Studio określić które z parametrów będą wysyłane, przez co zoptymalizować wykorzystanie łącza radiowego. Pakiet ten umożliwia także podglądanie danych online (poprzez USB) co ułatwia ocenę poprawności montażu i konfiguracji.

         

Trzeba podkreślić, że mechaniczna konstrukcja czujnika bardzo ułatwia mocowanie. Umieszczenie magnesu w stopce pozwala na zwykłe postawienie go na badanym napędzie. W przypadku bardziej drgających instalacji stopkę można zdemontować i wkręcić czujnik w dedykowany otwór.

Możliwość pracy bateryjnej dodatkowo eliminuje konieczność prowadzenia zasilania, co w połączeniu z łatwością montażu daje daleko idącą elastyczność w modyfikacji i dopasowaniu instalacji do potrzeb. W przypadku ustawienia częstości odczytów zgodnie z zaleceniami LoRaWAN ich pojemność wystarcza na ciągłą pracę przez dwa lata. Zawsze istnieje możliwość dodania lokalnego zasilania poprzez złącze USB, co oczywiście zwiększa nie tylko możliwości komunikacyjne ale także pozwala na pracę w szerszym zakresie temperatur (do 80 stopni C).

Na koniec warto zauważyć, że czujnik jest wyposażony we wbudowaną antenę, co czyni z niego bardzo kompaktowe rozwiązanie.

W celu zbierania informacji o stanie systemu napędowego, przygotowany został uniwersalny moduł wejść oznaczony  jako WISE-4610. Jest on oferowany w dwóch wykonaniach :

  • S614 wyposażony w 4 wejścia cyfrowe i 4 wejścia analogowe
  • S672 posiadający 6 wejść cyfrowych oraz porty komunikacyjne RS-485, RS-485/232

różniących się miedzy sobą płytką instalowaną wewnątrz obudowy mocowanej na szynie DIN. Wszystkie sygnały jak również zasilanie są doprowadzane poprzez złącza typu M12. W górnej części modułu znajduje się demontowalna antena, co pozwala na adaptację do wymagań sieci LoRaWAN.

Konfiguracja modułu, niezależnie od wersji, odbywa się podobnie jak poprzednio za pomocą oprogramowania Advantech WISE Studio oraz połączenia poprzez złącze USB.  W przypadku wersji S614 określamy rodzaj obsługiwanych sygnałów oraz ich skalowanie. Ułatwia to później interpretację pomiarów. Ten rodzaj sprawdza się idealnie w przypadku systemów, dla których stany falowników czy styczników są określana za pomocą sygnałów cyfrowych i analogowych. Wykorzystanie wariantu S672 rozszerza możliwości pomiarowe o obsługę protokołu Modbus. Dzięki dwóm portom możliwe jest obsługiwanie do 32 urządzeń na każdy z nich, co pozwala na budowę lokalnych podsieci.

Moduł ten, mimo klasycznego wykonania pozwala na pracę w szerokim zakresie temperatur. Dla zasilania zewnętrznego możliwe jest poprawne działanie od -20 C do 70 C. To istotna zaleta pozwalająca eliminować kosztowne ogrzewanie szaf elektrycznych w naszych szerokościach geograficznych.

Ostatnim elementem całego systemu komunikacyjnego jest WISE-6610. Łączy on w sobie zarówno funkcje bramy pomiędzy LoRaWAN a „światem zewnętrznym” jak i serwera sieciowego. Kompaktowa obudowa oraz bardzo szeroki zakres temperatur pracy (-40 C do 75 C) pozwalają na dużą swobodę instalacji.

Tu zbierane są informacje z poszczególnych nadajników takich jak wspomniane wcześniej 2410 czy 4610. Zaimplementowane mechanizmy ADR pozwalają na optymalizację ruchu sieciowego.  Weryfikowane są powtarzające się ramki tak, by udostępniać właściwe i prawdziwe dane. Tu wreszcie następuje dekodowanie i sprawdzanie poprawności szyfrowania.  Całość konfiguracji odbywa się za pomocą intuicyjnego menu i przeglądarki. Podstawowa wiedza na temat LoRaWAN wystarcza do poprawnej konfiguracji. Oczywiście dostęp do wszystkich parametrów pozwala nie tylko na regionalizację (różne częstotliwości w innych obszarach globu) ale i dopasowanie do istniejącej sieci.

Połączenie tych dwóch funkcji pozwala na budowanie zarówno małych lokalnych systemów pomiarowych jak i bardzo złożonych, opartych o wiele bram. To skalowanie jest szczególnie wygodne w przypadku konstrukcji etapowych, kiedy konieczne jest uruchamianie sieci po każdym z nich.

Podkreślić tu należy rozbudowaną diagnostykę, co jest szczególnie ważne w przypadku występowania problemów. Możliwość podglądu statusu sieci w czasie daje szanse ich weryfikacji w odniesieniu do innych występujących zdarzeń.

Moduł WISE-6610 posiada jeszcze jedną bardzo istotną i użyteczną własność – możliwość implementacji środowiska Node-Red. Jest to skonstruowane przez IBM i oparte na przepływach narzędzie programistyczne, pozwalające na wizualne programowanie i łączenie ze sobą urządzeń, interfejsów API i usług online w ramach IoT. 

Co to oznacza dla użytkownika ? Jest to tak naprawdę dodanie ostatniego elementu – serwera aplikacji. Poprzez LoRaWAN zbierane są informacje o procesie, które są obrabiane i przygotowywane do udostępniania.  W środowisku Node-Red obsługiwana jest komunikacja w standardzie MQTT, pozwalająca łączyć funkcje brokera MQTT z serwera sieciowego i subskrybcją oferowanych przez niego danych.

Wizualne programowanie przepływów danych polega na wskazywaniu źródeł, sposobu przekształcania i prezentacji danych. Poniższy przykład:

Pokazuje prostotę konstrukcji schematu dającego w rezultacie następujący efekt:

Oczywiście, rozdzielenie tych funkcji i umieszczenie aplikacji w chmurze, pozwoli na zwiększenie dostępności danych, bez zmiany struktury systemu.

Podsumowując, koncepcja komunikacyjna LoRaWAN w połączeniu z możliwościami jakie niosą aplikacje chmurowe i wymiana danych za pomocą MQTT, jest jednym z najlepszych rozwiązań dedykowanych monitorowaniu urządzeń. Rosnąca wręcz wykładniczo liczba urządzeń elektronicznych sterujących pompami, wentylatorami czy centralami klimatycznymi wymaga nadzoru ze strony służb utrzymania budynków. Automatyzacja rozproszonych pompowni czy instalacji zaopatrzenia w wodę pociąga za sobą bardzo podobne potrzeby. Przedstawiony tu system jest więc idealną odpowiedzią na problemy współczesnej telemetrii.

Rafał Tutaj / Elmark Automatyka S.A.