Rozwiązania M2M – rewolucyjne systemy zdalnej obsługi i kontroli

Dzisiejsze otoczenie pełne jest urządzeń i maszyn, które ułatwiają i usprawniają pracę oraz codzienne życie. Wszyscy przywykliśmy do tego faktu i nie jest on dla wszystkich zaskoczeniem tylko standardem. W związku z coraz bardziej rozwijającą się infrastrukturą urządzeń coraz częściej istnieje potrzeba komunikacji między maszynami tzw. machine to machine - M2M.

Czym jest M2M?

M2M (machine to machine) czyli komunikacja pomiędzy maszynami odnosi się do technologii pozwalającej na komunikację zarówno bezprzewodową, jak i przewodową. Technologia ta służy do wymiany informacji pomiędzy maszynami. Wykorzystuje ona różnego rodzaju układy telemetryczne, takie jak systemy bezprzewodowego monitoringu i sterowania odbiornikami przenośnymi oraz stacjonarnymi. W najprostszej wersji są to po prostu urządzenia wymieniające informacje miedzy sobą. Rozwój technologii upowszechnił zastosowanie technologii WLAN oraz GSM w systemach. Technologię M2M zastosowała jako pierwsza firma Numerex. Pierwszymi zastosowaniami, w jakich była wykorzystywana technologia M2M to transmisja z pojazdów kosmicznych do centrali NASA oraz samochody Formuły 1.

Współczesne technologie M2M buduje się na bazie grupy urządzeń z możliwością transmisji danych po określonym łączu. Urządzenia te muszą posiadać odpowiedni interfejs (oprogramowanie), które pozwala na przetwarzanie, przechowywanie i przesyłanie danych. Przesyłanie danych może odbywać się jedno- lub dwukierunkowo. Zazwyczaj nie ma ono charakteru ciągłego, a jest wykonywane okresowo. M2M używa urządzeń, takich jak czujniki czy mierniki, do uchwycenia zdarzenia, jakim jest np. zmiana temperatury lub stanu magazynowego, które z kolei jest przekazywane poprzez sieć bezprzewodową, przewodową lub hybrydową do aplikacji tłumaczącej te zdarzenia na język informacji przydatnej dla człowieka np. o uzupełnieniu zapasu. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu telemetrii oraz komunikacji pomiędzy maszynami. Komunikacja ta pierwotnie realizowana była poprzez zdalną sieć urządzeń łączących się z koncentratorem, który później przekazywał dane do systemu komputerowego np. na komputer PC. Jednakże nowoczesna komunikacja M2M została rozszerzona poza połączenie punkt do punktu i zmieniła się w system sieci, które transmitują dane na urządzenia prywatne.

Rozwój sieci bezprzewodowych na świecie ułatwił zaistnienie komunikacji M2M i zmniejszył czas i wysiłki potrzebne do komunikacji pomiędzy maszynami. Sieci te także stworzyły nowe możliwości biznesowe, relacje pomiędzy konsumentami i producentami w kontekście sprzedaży produktów. W ostatnich latach powiadomienia poprzez SMS dla komunikacji M2M stały się bardziej rozpowszechnione, również dzięki wszechobecności komunikacji GSM i relatywnie niskim kosztom wysyłania SMS-a.

M2M w przemyśle

Przemysłowe rozwiązania M2M różnią się od tradycyjnych systemów kontroli. Zazwyczaj rozwiązanie bezprzewodowe składa się z względnie niezależnych węzłów, które wspólnie tworzą sieć. Poszczególne stacje mogą być włączane do sieci bądź z niej usuwane bez jakiegokolwiek znaczącego wpływu na inne węzły oraz na sieć jako całość. Tymczasem w przypadku typowego przemysłowego systemu kontrolnego punkty te są często współzależne.

Różnice obejmują także możliwe architektury sieci. Przemysłowe rozwiązania M2M posiadają zazwyczaj centralną jednostkę sterującą, która zarówno wysyła sygnały sterujące, jak i jest przekaźnikiem pomiędzy poszczególnymi segmentami sieci.

Taka budowa umożliwia komunikację pomiędzy poszczególnymi węzłami, co pozwala na wymianę kluczowych informacji w czasie rzeczywistym. Drugą ważną cechą przemysłowych rozwiązań M2M jest możliwość rozbudowy systemu o mobilne źródła danych, a co za tym idzie niezależność od lokalizacji. Zazwyczaj systemy kontrolne działają w oparciu o stacje rozmieszczone w obrębie jednego budynku – na przykład w obszarze danej fabryki. Komunikacji M2M nie dotyczą ograniczenia lokalizacyjne. Systemy pracujące w tym standardzie obejmują często urządzenia rozproszone na większym obszarze (i np. komunikujące się z wykorzystaniem technologii GSM). Fakt ten jest ważny w erze urządzeń przenośnych, gdzie możliwość przemieszczania poszczególnych węzłów sieci bez zmiany struktury sieci jest sprawą istotną.

Wybór łącza

Wybierając technologię M2M jedną z istotniejszych pytań, z jakim musimy się zmierzyć jest standard łącza komunikacji. Rozpatrując zagadnienia M2M należy wziąć pod uwagę zasięg działania sieci. Dzięki wyborze rozwiązań bezprzewodowych istnieje możliwość większej mobilności poszczególnych węzłów. Ważnymi czynnikami przy wyborze łącza jest dostępna infrastruktura (bezprzewodowa lub tradycyjna przewodowa). Komunikacja bezprzewodowa jest oczywistym wyborem w przypadku mobilnych urządzeń. Może ona czasami zmniejszyć koszty związane z rozległą infrastrukturą kablową sieci w przypadku jednostek stacjonarnych.

Większość używanych bezprzewodowych rozwiązań M2M używa trzech zakresów częstotliwości 433 MHz, 868 MHz oraz 2,4 GHz. Częstotliwości te są bezlicencyjnymi pasmami dopuszczonymi do zastosowań w większości krajów Europy i świata. Z uwagi na specyfikację, urządzenia pracujące na tych pasmach noszą nazwę ISM (Industrial, Scientific, Medical).

Wśród rozwiązań bezprzewodowych M2M możemy znaleźć rozwiązania takie jak Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee i inne. Chcąc zapewnić największy zasięg, musimy wybrać łącza radio-modemowe oraz GSM. W ostatnim okresie na popularności przybierają rozwiązania GSM z powodu ich wygody użytkowania oraz malejących cen. Rozwiązanie komunikacji GSM nie jest pozbawione wad, wymaga ono zapewnienia odpowiedniej sieci komórkowej oraz aktywowanej karty SIM. Jest to szczególnie istotne, gdyż generuje dodatkowe koszty szczególnie przy rozwiniętych systemach z dużą ilością maszyn.

Wykorzystując lokalne sieci bezprzewodowe zazwyczaj bazujemy na standardach IEEE 802.11 oraz ZigBee.

Standard 802.11

Standard 802.11 (WLAN – Wireless Local Area Network) tworzony był z myślą o sieciach komputerowych. Technologia ta została jednak szeroko zaadaptowana w aplikacjach M2M. Urządzenia działające w oparciu o wersje 802.11b i g komunikują się na częstotliwości 2,4 GHz, wersja 802.11a posiada częstotliwość 5 GHz. Standard ten jest wykorzystywany w sieciach, które składają się z bardzo dużej liczby połączonych stacji lub gdy niezawodność transmisji jest wysokim priorytetem. Sieć WLAN umożliwia połączenie w trybie peer to peer. Bardziej powszechna jest jednak komunikacja za pośrednictwem punktu dostępowego. Rozwiązanie takie ułatwia komunikację pomiędzy poszczególnymi urządzeniami i połączenie z inną siecią, w tym Internetem.

Standard ZigBee

Standard ZigBee zapewnia komunikację między różnymi przyrządami pomiarowymi. Standard ten łączy niewielkie urządzenia o małym poborze energii. Do transmisji wykorzystywane jest m.in. pasmo 2,4 GHz, przy czym nie jest wymagany centralny punkt dostępowy, ponieważ sieci ZigBee mogą tworzyć topologię kratową (także inne, typu gwiaździste, P2P, itp.). Priorytetem systemu ZigBee jest niezawodność transmisji dzięki wbudowanemu mechanizmowi potwierdzania handshake. Urządzenia w sieci ZigBee mogą komunikować się z prędkością do 250 kb/s (dotyczy pasma 2,4 GHz). W związku z tym sieci w standardzie 802.11 umożliwiają ciągłe korzystanie z aplikacji opartych o zasoby np. z Internetu, tymczasem najbardziej odpowiednim sposobem komunikacji w sieci ZigBee jest okresowa wymiana danych. System ZigBee jest energooszczędny, ponieważ pracujące urządzenia zasilane są bateriami, a większość czasu pracują w trybie czuwania. Przejście do stanu aktywnego następuje jedynie w momencie transmisji zgromadzonej informacji. Daje to możliwość pracy przez długi okres – nawet do kilku lat. Warto także dodać, że na rynku dostępne są bramy (konwertery) pomiędzy sieciami stosowanymi w automatyce (np. Modbus) oraz ZigBee, co umożliwia łatwe wykorzystanie komunikacji bezprzewodowej w już istniejącej sieci.

Standard Bluetooth

W systemach M2M wykorzystywany jest także standard Bluetooth. Pozwala on na komunikację pomiędzy urządzeniami w trybie symetrycznym lub asymetrycznym. Bluetooth zapewnia maksymalną szybkość transmisji w obydwu kierunkach na poziomiei 432,6kb/s.

Standard DECT

Standard DECT powstał wprawdzie z myślą o telefonach bezprzewodowych, ale jego cechy umożliwiają wykorzystanie także do transmisji danych. Zapewnia on transmisję z prędkością do 552 kb/s na odległość około 50 metrów w budynkach i do 150 metrów poza nimi. Z mechanizmów DECT korzysta również protokół HomeRF, który przewidziany jest do komunikacji w paśmie 2,4 GHz.

Standard WirelessHART

Producenci obsługujący rynek przemysłowy opracowują też własne technologie, takie jak choćby Smart Wireless z Emerson Process Management. Innym nowoczesnym i promowanym przez wiele firm rozwiązaniem jest opracowany przez HART Communication Foundation standard WirelessHART. Są to rozwiązania typowo przemysłowe.

Zastosowanie komunikacji M2M

Jednym z najczęstszych zastosowań sieci M2M są aplikacje przemysłowe i monitorowanie parametrów w procesach produkcyjnych, monitorowanie instalacji. Zadaniem takich urządzeń jest gromadzenie i przesyłanie danych z poszczególnych stanowisk, w tym m.in. w celu wykrywania niepoprawnych parametrów ich pracy, co pozwala uniknąć przerw w pracy spowodowanych awariami. Możliwość podglądu stanu urządzenia w czasie rzeczywistym przyspiesza rozwiązywanie ewentualnych problemów. Często można w ten sposób uniknąć interwencji personelu, która zazwyczaj wiąże się z zatrzymaniem produkcji. Coraz powszechniejsze staje się wykorzystywanie komunikacji M2M w budynkach inteligentnych – przykładowo do sterowania oświetleniem. Scentralizowany system kontroli obecności jest szczególnie pożądany w rozległych budynkach.

Dane z czujników ruchu mogą być na bieżąco analizowane, co pozwala na automatyczne wyłączanie zbędnego oświetlenia i umożliwia bardziej efektywne zarządzanie zużyciem energii. Monitoring poszczególnych pomieszczeń jest podstawowym zabezpieczeniem przed ingerencją osób trzecich. Innym przykładem zastosowania sieci M2M jest kontrola sprzętów, które są czasowo wypożyczane klientom przez firmy leasingujące (na przykład maszyny budowlane lub typowe sprzęty biurowe). Urządzenia takie wymagają stałego monitorowania i kontroli ze strony dostawcy.

Klienci oczekują bowiem, że dany sprzęt będzie działał poprawnie, a w razie uszkodzenia zostanie szybko naprawiony. Oznaki zbliżającej się awarii, zidentyfikowane odpowiednio wcześniej, w znacznym stopniu zmniejszają koszty i zwiększają wydajność urządzeń. O podstawowych wymaganiach sprzętu dotyczących konserwacji personel serwisujący powinien być informowany z wyprzedzeniem. Umożliwia to zaplanowanie reakcji na ewentualną usterkę. Dotyczy to zwłaszcza dostarczenia niezbędnych materiałów i elementów – na przykład części zapasowych.

Przepływ informacji pozwala usprawnić oraz zmniejszyć koszty związane z ewentualnymi działaniami logistycznymi. Dodatkową presją stają się nowe uregulowania wprowadzane w zakresie opłat za rzeczywiste wykorzystywanie danego sprzętu (pay per use). W systemie tym klienci płacą jedynie za czas, w którym sprzęt jest używany i działa bezawaryjnie. Wszystko to sprawia, że dla dostawców leasingowanych sprzętów bezpieczeństwo i precyzja danych dotyczących stanu tych urządzeń oraz konieczność analizy informacji w czasie rzeczywistym stają się sprawą zasadniczą.

Polecane kategorie:

Polecane produkty: