IOT 센서 노드의 설계검증을 위한 주요 요소

IoT가 지속적으로 확장됨에 따라 산업 공간에서 분산 센서 노드를 사용하는 데 큰 관심을 보이고 있습니다. 그러나 많은 산업 응용 프로그램은 일반적으로 "brownfield"응용 프로그램이라고 불리는 것에 빠지며 기존의 솔루션과 공존 할 수있는 새로운 하드웨어 / 소프트웨어 솔루션이 필요합니다. 또한 이러한 현장 솔루션의 대부분은 20 ~ 30 년이 넘을 수 있습니다. 그렇다면 이미 기존의 설치 기반에 새로운 기술을 어떻게 적용 할 수 있습니까?

 

첫째, 현재 다루고있는 문제의 성격을 이해할 필요가 있습니다. 산업 공간에서 우리는 기존의 물리적 프로세스에 대한 온라인 모니터링에 대해 자주 이야기합니다. 이는 원유 파이프 라인의 내용물 온도 모니터링에서 물 처리 시설을 떠나는 물의 염소량 모니터링까지 다양합니다. 산업 공간에서는 센서 기술의 설치 및 신뢰성의 단순성에 집중하는 경향이 있습니다. 어떤 경우에는 최첨단 기술이 진전되지 않을 수도 있습니다. 즉, 그것을하는 좋은 방법은 충분히 좋을 수 있습니다. 다른 애플리케이션에서는 소유 비용 절감과 안정성 향상을 가져올 수있는 기술 발전이있을 수 있습니다.

 

다음으로 현재 센서 시스템과 관련된 연결성을 이해할 필요가 있습니다. 이것은 물리적 연결 유형 (예 : RS-232 / 422, RS-485, 20mA 전류 루프, 이더넷 등)에서부터 프로토콜까지 다양합니다. 이러한 프로토콜 중 일부는 HDLC, Bisync, DDCMP, X.25 등의 동기식 직렬 통신 사용을 전제로 할 수 있습니다. 또는 Profibus, Modbus, EtherCAT, DeviceNet 또는 맞춤형 프로토콜과 같은 다른 산업 표준을 사용할 수도 있습니다.

 

또한 많은 산업 응용 프로그램의 특성에는 확장 된 온도 범위, 충격 및 진동, 높은 습도, 신뢰할 수없는 전력 및 간헐적 인 연결 등 생존해야하는 다양한 가혹한 환경이 있습니다. 전형적인 산업 운영자의 특징은 이미 상각 된 장비를 사용하여 비용이 감소 할 때까지 비용을 절감 할 수있는 "더 나은"솔루션이있을지라도 가능한 한 장비를 가동하는 것입니다. 산업 인프라에서 종종 직면하게되는 또 다른 문제는 솔루션이 30 년 전에 설계되었을 수 있으며 모든 설계자가 이전하거나 퇴직했기 때문일 수 있습니다. 이로 인해 현재 운영자는 새로운 센서 시스템의 단계적 출시를 고려할 때 많은 수의 알려지지 않은 정보를 남깁니다.

 

다행히도 센서 시장은 다양한 대체 접근법을 제공합니다. 많은 노화 된 아날로그 구성 요소가 이제 원래의 부품보다 훨씬 강력하고 작으며 전력 효율이 뛰어난 MEMS (Microelectromechanical Systems)로 대체되었습니다. 이러한 센서는 종종 LoRaWAN, NB-IoT 셀룰러, Sigfox 또는 Wi-Fi와 같은 새로운 통신 매체를 활용하도록 설계되었습니다.

 

산업 운영자가 기존 케이블 공장을 계속 사용하기를 원할 수도있는만큼 실용적이지 않을 수 있습니다. 구식 산업용 통신 인터페이스는 업데이트 된 센서 시스템에서는 실용적이지 않을 수 있습니다. 사용할 수있는 경우에도 비용이 많이들 것입니다. 가장 경제적 인 의사 소통 방식을 결정하기 위해서는 일련의 무역 연구가 필요합니다. 무선 솔루션을 사용하는 것이 결정되면 설계자는 업그레이드 할 시스템의 물리적 특성에 따라 솔루션의 실용성을 조사해야합니다.

 

기존 시스템의 중요한 업데이트를 시작하기 전에 설계자는 가능한 한 많은 운영 제약 사항을 재생산하는 간단한 프로토 타입 테스트를 수행해야합니다. 이는 시장에서 사용 가능한 많은 개발 키트 중 하나를 사용하여 수행 할 수 있습니다. 여기에는 흔히 상업용 기성품 (COTS) 개발 보드, Linux와 같은 운영 체제 및 COTS 라디오 솔루션이 포함됩니다.

 

강경 배선을 무선 솔루션으로 대체하려는 경우 무선 주파수 (RF) 스펙트럼의 사이트 조사를 통해 주파수 대역이 응용 프로그램에서 작동하는지 확인해야합니다. 흔히 산업용 어플리케이션은 대형 모터 또는 RF 간섭 소스를 필요로합니다. 또는 오일 플랫폼에서 발견되는 대형 금속 구조만으로도 무선 솔루션의 효과를 제한 할 수 있습니다. 이러한 종류의 조사는 인쇄 회로 기판 (PCB) 설계자와 소프트웨어 개발자가 무선 접근에 대한 충분한 정보를 바탕으로 의사 결정을 내릴 수 있도록 라디오 선택 이전에 수행되어야합니다.

 

새로운 물리적 센서로 Brownfield 어플리케이션을 업그레이드하는 프로세스는 종종 실리콘 설계자에게 새로운 센서를 검증하는 것으로 시작됩니다. 물리적 검증이라고하는이 프로세스에는 디자인 룰 체크 (DRC), 레이아웃 대 도식 (LVS), 전기적 룰 체크 (ERC), 배타적 OR (XOR)을 포함한 수많은 전자 설계 자동화 (EDA) 툴이 포함됩니다. 안테나 검사.

 

다행히도 이러한 검사를 수행 할 수있는 자동화 된 도구 모음을 제공하는 많은 공동 설계 공급 업체가 있습니다. 검증 된 설계는 실리콘 파운드리에 전달되며 회로는 원래 설계의 요구 사항 (예 : 확장 된 온도 또는 충격 및 진동)을 충족시키는 적절한 제조 방법을 사용하여 생산됩니다. 여기에서 패키지 된 칩은 보드 레벨 설계를 위해 PCB 설계자에게 전달된다.

민감도가 높거나 중요 업무용 애플리케이션의 경우 PCB 설계자는 검증되고 감사 된 공급망이 존재하는지 확인해야합니다. 과거에는 일반적으로 품질이 낮고 정상적인 칩 사망률보다 높은 위조 칩 사례가 문서화되어 보드 수준 솔루션의 개발자가 구성 요소 공급 업체가 해당 구성 요소의 신뢰성 요구 사항을 충족하는지 확인하도록했습니다. 이는 특히 전력 생산 및 수처리와 같은 중요한 인프라의 일부인 애플리케이션에 해당됩니다.

 

보드 레벨 솔루션이 준비되면 센서를 배치 할 환경에서 성능을 검증하기 위해 일련의 환경 테스트를 거쳐야합니다. 여기에는 열 사이클링, 충격 및 진동 테스트, RF 방출 및 자화율 테스트 (FCC 인증 포함) 및 센서가 작동 할 환경의 심각성에 따라 다양한 테스트가 포함됩니다. 높은 습도와 같은 일부 어플리케이션의 경우 보드는 회로를 환경으로부터 보호하기 위해 컨 포멀 코팅되거나 "포팅"될 필요가 있습니다.

 

센서 응용 프로그램이 일종의 마이크로 컨트롤러 또는 다른 프로세서 (무선 솔루션의 통신 또는 관리 암호화에 종종 필요함)를 사용한다고 가정하면 소프트웨어 설계 팀은 운영 체제의 운영 여부에 대한 광범위한 결정을 내려야합니다 소프트웨어 설계 철학, 통신 프로토콜 및 보안 처리 방법이 필요합니다. 또한 Brownfield 응용 프로그램 인 경우 소프트웨어 팀은 기존 시스템 및 데이터 수집 끝점과의 호환성을 고려해야합니다.

 

현장에서 소프트웨어 업데이트, 센서 / 라디오 제공, 암호화 키 사용 등을 허용해야하기 때문에 보안은 특히 까다로운 문제입니다. 장치에 대한 액세스를 차단하는 데 필요한 단계의 수와 상관없이 (특수 나사, 포팅 , 변조 방지 케이스 등), 장치가 현장에 도달 할 때까지 장치가 손상되었다고 가정해야합니다. 이는 가능한 한 소프트웨어 관점에서 장치를 안전하게 만드는 프로비저닝 접근법에 특별한 부담을줍니다. 이를 위해서는 디지털 인증서 생성 및 / 또는 보안 키 및 매개 변수 저장을위한 스마트 카드 칩과 같은 보안 회로 사용이 필요합니다.

 

요약하면 브라운 필드 산업 응용 프로그램을 업데이트하려면 설계자가 광범위한 설계 기준을 고려해야합니다. 이는 애플리케이션이 핵심 인프라의 일부인 경우 기존 시스템과의 바람직한 호환성부터 플랫폼의 롤아웃, 공급망까지의 범위입니다.

 

기존의 케이블 방식 솔루션을 무선 방식으로 대체하려는 계획을 세우는 경우 설계자는 특정 주파수에 대해 발생할 수있는 RF 간섭이있는 사이트에서 RF 주파수가 예상대로 전파 될 수 있도록 여러 가지 테스트를 수행해야합니다. 그리고 디자이너는 시스템 전체에 보안 메커니즘을 통합하여 공격 대상이 될 수있는 시스템으로부터 보호합니다. 응용 프로그램 업그레이드는 간단한 작업이 아닙니다. 그러나 세부 사항에 세심한주의를 기울이면 노후화 된 기존 장비를 대체 할 수 있고 향후 비용을 크게 절감 할 수있는 새로운 솔루션이 탄생하게 될 것입니다.