Trådløse signaler fra loftsbelysning til tilsluttet produktion

WLAN og Bluetooth har begrænset båndbredde, gør konventionel trådløs kommunikation problematisk i produktionsmiljøet. Alligevel, talrige komponenter såsom sensorer og robotter skal forbindes trådløst. For at overkomme denne udfordring, et team af forskere ved Fraunhofer IOSB-INA i Lemgo arbejder på løsninger med hjælp fra Ostwestfalen-Lippe (OWL) University of Applied Sciences and Arts. Snart, Det er håbet, at maskiner i fabriksbygninger vil kommunikere med hinanden ved hjælp af lysimpulser. Denne teknologi er ikke ny, men nu skal den tilpasses til brug i industrien.

førerløse transportsystemer, rullebånd, motorer, robotter, sensorer, droner, overvågningssystemer, mobile enheder, og en bred vifte af maskiner og udstyr - de kommunikerer alle med hinanden og udveksler data i produktionsmiljøet. De installeres og betjenes ofte forskellige steder, gør en trådløs forbindelse uundværlig - og den skal fungere problemfrit, hvis produktionsnedetider skal undgås. Vi har nydt godt af fordelene ved trådløse forbindelser såsom WLAN (WiFi) og Bluetooth i vores professionelle og personlige liv i lang tid nu, men i fremstillingen, konventionel trådløs kommunikation nærmer sig sine grænser:WLAN og Bluetooth har en begrænset båndbredde. I lyset af det stigende antal brugere, modtagere og enheder, det trådløse spektrum er overbelastet. Mens 5G-teknologi vil afhjælpe dette problem, forskerne ved Fraunhofer IOSB-INA i Lemgo, Industrial Automation Branch fra Fraunhofer Institute for Optronics, Systemteknologier og billedudnyttelse IOSB, mener, at der er en mere effektiv og licensfri måde at overvinde udfordringerne ved kommunikation i produktionsmiljøet. De tager en anden tilgang og har valgt det synlige lysspektrum til trådløs datatransmission. Eksperter kalder denne teknologi for synlig lyskommunikation (VLC, se boks). "Lysspektret er omkring 4000 gange bredere end hele det tilgængelige trådløse spektrum. Det spænder fra bølgelængder på 380 til 800 nanometer, siger Daniel Schneider, en forsker ved Fraunhofer IOSB-INA. Sammen med sine kolleger og OWL University of Applied Sciences, han arbejder på at bringe VLC til industrien. Forskningsarbejdet på projektet "Synligt lys i produktionen" finansieret af det tyske forbundsministerium for økonomiske anliggender og energi (BMWi) – et industrielt samarbejdsforskningsprojekt ledet af det tyske forskningsselskab for automatisering og mikroelektronik (DFAM) – begyndte allerede for et år siden .

Manglende undersøgelser af betingelser for VLC i det industrielle miljø

VLC bruges allerede på kontorer, hjem og laboratorier og, siden for nylig, det bliver også brugt til at implementere indendørs navigationssystemer i indkøbscentre. Fabriksbygninger, imidlertid, hvor der er langt flere kilder til interferens, udgør betydelige udfordringer for kommunikationsteknologi, som endnu ikke er blevet undersøgt i tilstrækkelig dybde. "Som et alternativ til konventionel trådløs netværksadgang, vi vil bruge kommercielt tilgængelige, energieffektive LED'er til vores kommunikationsløsning med synligt lys. Nøglen er at kunne etablere et system, der viser sig at være modstandsdygtigt over for så meget interferens som muligt, " siger Schneider. Denne form for system er pålideligt, når dækningsproblemer på grund af vægge, metalgenstande, maskiner og andre forstyrrende signaler kan overvindes. "Kunstig belysning, skyggeeffekter og refleksioner kan påvirke datatransmission med lys. I samarbejde med fem industrivirksomheder, vi udførte målinger for at analysere, i hvilket omfang de gør det, og i hvilke områder og mængder." Blandt andre værktøjer til testene, de brugte et spektrometer, der kan drejes om to akser, og som måler den rumlige fordeling af interferenskilderne. Målekampagnen fokuserede på i alt tre påvirkningsfaktorer:omgivende lys, partikler og omgivende refleksioner, som eksperter også omtaler som multipath-spredning.

Lysrefleksioner forstyrrer datatransmission

Testene viste, at støvpartikler ikke udgør noget problem for optiske signaler. "Fabriksbygninger er normalt godt ventilerede, så de typiske partikelkoncentrationer absorberer ikke lyssignalet i nogen relevant grad, " siger forskeren. Mennesker og køretøjer, der bevæger sig langsomt (0,2 m/s), hæmmer heller ikke signalkvaliteten. Omgivende lys, på den anden side, påvirker hele det optiske spektrum. Projektpartnerne identificerede i alt ti modeller, hvis lysforhold påvirker VLC-systemer. Blandt dem er svejseprocesser og lysstofrør, samt optiske sporingssystemer, men virkningerne af disse er strengt lokale og påvirker ikke det omkringliggende område. Derfor, ifølge testresultaterne, VLC-systemer skal være i stand til at reagere adaptivt på lysforhold for at minimere disse typer interferensfaktorer. Forskerne identificerede også multipath-spredning som en interferensfaktor:"En lampe udsender lys i flere retninger, og dette lys når modtageren via refleksioner. Hvis disse refleksioner varierer meget, så når lyset modtageren på forskellige tidspunkter og med forskellige grader af absorption. Dette forvrænger det nyttige signal i nanosekundområdet og sænker transmissionskvaliteten, " forklarer forskeren. Baseret på de kvantitative måleresultater, Schneider og hans team udvikler miljøtilpassede VLC-systemer til industriel brug.

Ingen chance for datatyveri

VLC tilbyder ikke kun større båndbredder end WLAN, det sikrer også datasikkerhed. Trådløse signaler går gennem vægge, så kommunikation kan opsnappes og manipuleres uden for fabriksbygninger. Dette er ikke muligt med lys. Potentielle angribere har ingen chance her. En anden fordel er, at VLC gør det muligt trådløst at forbinde mere end 1000 enheder med hinanden. "Når vi har etableret det ideelle design til vores VLC-system baseret på vores målekampagne, vi vil være i stand til at betjene mere end 1000 enheder på ét sted på en måde, der sparer energi, er sikret mod aflytning og er ufølsom over for elektromagnetiske felter, " siger forskeren fra Lemgo. Udover loftbelysningen, den nødvendige hardware forventes at være begrænset til en internetforbindelse og en transceiver forbundet til terminalenheden. Den eksisterende demonstrator bliver i øjeblikket testet under virkelige forhold i SmartFactoryOWL i Lemgo. Begge, store virksomheder og SMV'er, forventes at få gavn af det færdige system allerede i midten af ​​2021.