Systemy komunikacji bezprzewodowej. Rozwiązania w pojazdach, taborze kolejowym i transporcie

96 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2010 Wybór konstruktora Dodatkowe informacje: Elmark Automatyka Sp. z  o.o. 05-075 Warszawa-Wesoła, ul. Niemcewicza 76, tel.: 22-773-79-37, www.elmark.com.pl, e-mail: elmark@elmark.com.pl Standard 802.11g teoretycznie pozwala na transfer z prędkością do 54 Mbps na odległość do 150 metrów w otwartej przestrzeni i do około 40 metrów w pomieszczeniach. W odróżnieniu od urządzeń do zastosowań konsumenckich, sprzęt przemysłowy musi cechować się pewnymi dodatkowymi właściwościami i technologiami, które zosta- ną przybliżone poniżej. Redundancja połączeń Jednym z najpoważniejszych problemów w sieciach bezprze- wodowych jest ich podatność na zaburzenia elektromagnetyczne. Systemy komunikacji bezprzewodowej Możliwości stosowania technologii bezprzewodowych w  przemyśle są bardzo szerokie, co sprawia, że na rynku funkcjonuje bardzo duża liczba standardów komunikacji bezprzewodowej. Różnice pomiędzy nimi polegają głównie na częstotliwości pracy, parametrach i  odległości transmisji, przepustowości, a  także kosztach wdrożenia. Spośród wszystkich technologii bezprzewodowych największe możliwości dla sieci lokalnych przynosi standard IEEE802.11, czyli popularne Wi-Fi. Powodują one skrócenie zasięgu pracy poszczególnych urządzeń, a  czasami mogą wręcz uniemożliwiać normalną pracę. W  zasto- sowaniach przemysłowych, gdzie niezawodność ma kluczowe znaczenie, najlepszym rozwiązaniem jest redundancja połączenia bezprzewodowego uzyskana poprzez pracę urządzeń jednocześnie na dwóch częstotliwościach. Wymusza to zastosowanie w jednym urządzeniu dwóch modułów radiowych, pracujących w pasmach 2,4  GHz oraz 5  GHz. Dzięki temu w  przypadku wystąpienia za- kłóceń na jednej częstotliwości nastąpi natychmiastowe przełącze- nie trybu pracy na częstotliwość alternatywną. Urządzenia z taką funkcją oferuje firma Moxa, a mechanizm ten nazywa się DualRF i zaimplementowano go w serii punktów dostępowych AWK-6222 oraz AWK-5222 (rys. 1). Mechanizm DualRF można wykorzystywać nie tylko do połączeń redundantnych typu klient?punkt dostępu. Ciekawą koncepcją do zrealizowania za pomocą punktów dostępowych Moxa jest topologia bezprzewodowego mostu. W tym przypadku konieczne jest ustawie- nie jednego modułu radiowego w  urządzeniu w  trybie master AP, a drugiego w slave AP (rys. 2). Rys. 1. Zasada działania trybu DualRF Rozwiązania w pojazdach, taborze kolejowym i transporcie 97ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2010 Systemy komunikacji bezprzewodowej w pojazdach, taborze kolejowym i transporcie R E K L A M A Ten tryb pracy został zaprojektowany jako rozszerzenie stan- dardowego modelu WDS (Wireless Distribution System) i eliminuje jego największą wadę, jaką jest spadek prędkości transmisji wraz ze wzrostem liczby access pointów. Przepustowość dla standar- dowego trybu WDS wyraża się wzorem 25  Mbps/(n?1), gdzie n to liczba urządzeń. Dzięki zastosowaniu urządzeń z podwójnym modułem radiowym można pozbyć się tej niedogodności i dyspo- nować przepustowością na poziomie 25 Mbps. Na potrzeby sieci zbudowanych w  oparciu o  rezerwowe kanały transmisyjne po- wstał specjalny protokół STP (Spaning Tree Protocol). Jest to proto- kół tworzący w sieci graf bez pętli (drzewo) i ustalający zapasowe łącza, które w  trakcie normalnej pracy pozostają zablokowane. W czasie prawidłowego działania wykorzystywana jest tylko jedna ścieżka, po której może odbywać się komunikacja. W przypadku awarii głównej ścieżki następuje przełączenie na ścieżkę redun- dantną. Protokół STP został zaprojektowany, by zapobiegać awarii po- łączenia w  przypadku uszkodzenia pojedynczej ścieżki komuni- kacji oraz tworzeniu się tzw. pętli w tak zaprojektowanych syste- mach. Zwiększa to znacznie niezawodność całej sieci. STP jest częścią standardu IEEE 802.1D (wprowadzonego w 1998 roku), jego udoskonalona wersja ? RSTP ? została wprowa- dzona wraz z IEEE 802.1D: 2001. Podstawowa różnica polega na czasie rekonfiguracji: STP potrzebuje nawet kilkadziesiąt sekund na rekonfigurację, protokół RSTP jest znacznie szybszy. Szybki roaming Dla pojazdów będących w  ruchu bardzo ważna jest możliwość szybkiego roamingu. Ma to szczególne znaczenie dla szybkiego ru- chu kolejowego czy innych pojazdów poruszających się ze znacznymi prędkościami, gdzie duże znaczenie ma utrzymanie stałej łączności pomiędzy pojazdem a  kolejnymi punktami dostępowymi. Problem można częściowo rozwiązać poprzez zastosowanie specjalnych an- ten (kierunkowych) oraz wydłużenie odległości pomiędzy kolejnymi punktami dostępowymi, co spowoduje, że przełączanie będzie nastę- powało rzadziej. Rys. 3. Sposób działania Turbo Roamingu Rys. 2. Idea działania mostu bezprzewodowego Firma Moxa opracowała dodatkowo specjalną technologię umoż- liwiającą bardzo szybkie przełączanie ? Turbo Roaming. Dzięki tej 98 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2010 Wybór konstruktora funkcji czas przełączania pomiędzy kolejnymi access pointami dla urządzeń z serii AWK wynosi poniżej 100 ms (rys. 3). Bezpieczeństwo transmisji Kolejnym aspektem komunikacji bezprzewodowej w  przemyśle jest kwestia bezpieczeństwa transmisji. Podstawowymi metodami za- bezpieczania połączenia jest filtracja adresów MAC (autoryzacja na podstawie adresu MAC) urządzeń bezprzewodowych czy ukrywanie identyfikatora SSID sieci bezprzewodowej. Jednak metody te są obec- nie wysoce nieskuteczne i nie stanowią już problemu dla nieproszo- nych gości. Wśród metod szyfrowania obsługiwanych przez współ- czesne urządzenia komunikacji bezprzewodowej można wymienić WEP (oparte na algorytmie szyfrującym RC4), WPA (Wired Equivalent Privacy, zgodny ze standardem IEEE 802.11, opracowany jako udo- skonalenie WEP) oraz WPA2 (standard zaprojektowany całkowicie od nowa, wykorzystuje szyfrowanie AES ? wymagające znacznie więk- szych mocy obliczeniowych niż stosowane w WPA ? TKIP). Urządze- nia komunikacji bezprzewodowej firmy Moxa obsługują wszystkie wspomniane technologie, dodatkowo mając możliwość uwierzytel- niania i autoryzacji poprzez serwer RADIUS. Budowa urządzeń, zasilanie Ostatnią kwestią pozostaje mocna, solidna obudowa oraz możli- wość nieprzerwanej pracy w niekorzystnych warunkach środowisko- wych urządzeń przeznaczonych np. do działania w systemach komu- nikacyjnych transportu kolejowego. Bardzo ważna jest również zgod- ność z branżowymi normami i standardami, takimi jak np. EN50155 (zastosowania kolejowe), EN50121-1/4 (urządzenia telekomunikacyj- ne i sygnalizacyjne stosowane w kolejnictwie), ATEX Class 1, Zone 2 i innymi. Urządzenia muszą być odporne na drgania i wstrząsy, niskie oraz podwyższone temperatury, pył, kurz oraz wilgoć. Bardzo dobrze sprawują się tutaj łącza typu M12, zapewniając największe bezpie- czeństwo podłączenia przewodów do urządzeń. Przydatną funkcją dla urządzeń montowanych w taborze jest również możliwość zasi- lania sprzętu kablem interfejsu danych. Technologia ta nazywa się Power over Ethernet. Eliminuje ona konieczność stosowania osobnych przewodów zasilających. Access Point AWK-6222 firmy Moxa ma obudowę o  stopniu ochrony IP68, więc może być wystawiony na działanie warunków atmosferycznych. Zakres temperatury pracy wersji oznaczonej sym- bolem ?T? wynosi ?40...+75°C. Wszystkie urządzenia serii AWK mają redundantne zasilanie (12...48 VDC) oraz dodatkowo mogą być zasila- ne z użyciem technologii Power over Ethernet. Podsumowanie Sądząc po dotychczasowym rozwoju sytuacji, wszystko wskazuje na to, że standard bezprzewodowego Ethernetu pozostanie najatrak- cyjniejszą możliwością teraz i w przyszłości dla bardzo wielu zasto- sowań w przemyśle, transporcie, kolejnictwie i innych gałęziach. Bar- dzo istotną kwestią, oprócz niezawodności i możliwości prostej konfi- guracji, pozostaje możliwość bezproblemowej rozbudowy w przyszło- ści systemu opartego o ten standard. E.L. R E K L A M A