Integrare misure wireless con sistemi di acquisizione dati cablati

STRUMENTAZIONE –

La tecnologia wireless giocherà un ruolo importante nel plasmare le potenzialità dei futuri sistemi di misura. Allo stato attuale sono necessarie però alcune considerazioni prima di scegliere un dispositivo di acquisizione dati wireless.


L'utilizzo della tecnologia wireless per effettuare test, misure e controllo industriale è minore di quello che se ne fa nell'elettronica di consumo, tuttavia l'interesse suscitato non è da meno. Rimpiazzare i sistemi cablati con quelli wireless non è però semplice come staccare i cavi e posizionare una rete wireless. Dopo decenni di utilizzo, esperienza e innovazioni tecnologiche, gli ingegneri hanno delle aspettative riguardo ai sistemi di misura che i sistemi wireless non possono soddisfare a pieno. Due importanti perplessità che molti condividono a proposito dei sistemi wireless riguardano la sicurezza e l'affidabilità. Per rispondere a queste preoccupazioni, le organizzazioni che si occupano di creare standard wireless, spesso spinte dai principali produttori di semiconduttori, continuano a migliorare la sicurezza e l'affidabilità della rete wireless attraverso iterazioni successive dei protocolli standard. In questo modo, esse permettono ai fornitori di sistemi di acquisizione dati di trarre vantaggio dai progressi ottenuti nel campo della sicurezza e dell'affidabilità sfruttando un'architettura radio e software conforme agli standard.    
Tuttavia ci sono alcuni requisiti che attualmente i sistemi di misura wireless stentano a soddisfare se comparati ai sistemi cablati, inclusi latenza, sincronizzazione, ampiezza della banda di trasmissione dei dati, assortimento degli I/O ed integrazione in sistemi composti da dispositivi di diversi produttori.

Ampiezza della banda di trasmissione e latenza
I sistemi di misura basati su Pc sono spesso limitati dalle restrizioni dell'ampiezza della banda di trasmissione e delle specifiche di latenza del bus fisico che utilizzano per la comunicazione. L'ampiezza di banda corrisponde alla quantità di dati che possono essere trasferiti attraverso il bus in un dato intervallo di tempo. La latenza rappresenta approssimativamente la velocità con la quale i dati vengono trasferiti dal punto di partenza alla destinazione finale. Quando si mettono a confronto le specifiche di ampiezza di banda e latenza del wireless con quelle di altri bus che oggi sono comunemente utilizzati in applicazioni di acquisizione dati (Pci Express, Pxi, Usb 2.0), è come entrare in una macchina del tempo e tornare indietro di 25 anni o più. Due popolari reti wireless utilizzate con strumenti di misura wireless sono Ieee 802.11 e Ieee 802.15.4. Ieee 802.11, conosciuto anche come Wi-Fi, è diffuso per le reti nelle abitazioni e negli uffici. Ieee 802.15.4, il protocollo sul quale è basato ZigBee, è diffuso per reti distribuite a bassa potenza. L'ampiezza di banda teorica di questi due bus è comparabile o peggiore di quella del bus ISA che era diffuso negli anni 80. Se messi a confronto con la prima generazione del link Pci Express x1 (by-one), 802.11n (la versione più recente di questo bus) e 802.15.4 forniscono un'ampiezza di banda rispettivamente 10 e 1000 volte inferiore. Questa limitazione insita nelle reti wireless implica che il wireless non possa rimpiazzare i sistemi cablati in tutti i casi. Misure ad alta velocità e misure dinamiche con elevato numero di canali continuano a beneficiare di bus fisicamente connessi al Pc che garantiscono elevata ampiezza di banda. Altre misure a bassa velocità (statiche) oppure dinamiche ma con un minor numero di canali, o misure con sensori che non risentano di limitazioni dell'ampiezza di banda nei bus attuali, possono sfruttare queste tecnologie wireless.

Sincronizzazione
Una caratteristica importante per la maggior parte dei sistemi di misura è la sincronizzazione delle misure fra canali, dispositivi ed anche sistemi diversi. La sincronizzazione può essere ottenuta in vari modi, ma in generale implica la condivisione di un segnale di clock o di trigger tramite un cavo fisico oppure l'utilizzo di alcune basi dei tempi locali che sincronizzano i loro oscillatori in un punto comune nel tempo e poi operano ad una frequenza simile. Queste tecniche di sincronizzazione hanno entrambe vantaggi e svantaggi. La sincronizzazione fra canali, dispositivi e sistemi diversi basata su un segnale è più precisa ed accurata (sono raggiungibili livelli di precisione fino al ns o ps), ma è limitata dalla distanza massima alla quale possono essere posti i sistemi sincronizzati (al massimo 100 m). Con la sincronizzazione tramite base dei tempi, è possibile sincronizzare sistemi su distanze molto maggiori (potenzialmente senza limiti utilizzando il Gps), ma la precisione raggiungibile è minore (tipicamente dell'ordine dei ms). Per quanto riguarda la temporizzazione e il triggering, attualmente molti sistemi di misura wireless lavorano indipendentemente dagli altri, e non danno la possibilità di condividere il segnale per la sincronizzazione. Nei casi in cui misure di segnali da diversi canali e misure di fase siano essenziali per ottenere risultati accurati, la sincronizzazione è della massima importanza. Molti sistemi cablati che sono utilizzati attualmente per questo tipo di misure utilizzano basi dei tempi molto accurate, circuiti ad aggancio di fase o Pll (Phase-locked loop) e connessioni con adattamenti di impedenza. In linea di principio, per raggiungere i più stringenti requisiti di sincronizzazione sono necessari sistemi cablati. Tuttavia sia le reti cablate che quelle wireless potranno sfruttare i vantaggi offerti da nuovi standard ed ulteriori sviluppi della ricerca, come è evidente considerando le tecnologie Ieee 1588 e Gps.

Assortimento degli I/O e disponibilità di potenza
Per quanto il wireless possa essere intrigante, questa tecnologia è ancora giovane nel campo dei sistemi di controllo, test e misura. Per questo motivo il numero e le capacità dei dispositivi disponibili sono limitati. Ci sono centinaia di sensori diversi, ciascuno dei quali necessita di un condizionamento del segnale specifico per fornire misure accurate. Per più di venti anni National Instruments ha apportato innovazioni e ha prodotto strumenti basati su Pc che permettessero di effettuare queste misure, totalizzando più di 50 milioni di canali di misura in tutto il mondo. I sistemi di misura wireless non sostituiranno questi canali di misura già esistenti, ma forniranno vantaggi complementari rispetto ai sistemi esistenti quando sia possibile utilizzarli.

L'integrazione dei sistemi
Sebbene questo articolo non sia esaustivo, l'ultima e più importante limitazione degli attuali sistemi di misura wireless è l'incapacità di lavorare con altri sistemi di misura e controllo, sia wireless che cablati. Come si dice in molti mercati, quando una tecnologia è nuova e piena di potenzialità, il tempo necessario affinché essa sia pronta per essere messa sul mercato potrebbe essere più importante della sua completezza e interoperabilità. Tipicamente, gli attuali prodotti wireless si focalizzano sull'acquisizione di misure generiche (di tensione o corrente) e sulla trasmissione sicura ed affidabile dei dati acquisiti con il minor impiego di potenza possibile. L'attenzione è concentrata sull'hardware e a volte su reti wireless proprietarie. Poca attenzione è invece riservata alla parte software dei dispositivi, la quale garantisce l'interoperabilità fra prodotti di diverse aziende. Come ha scritto un giornalista dell'industria di processo di Control Engineering in un articolo a proposito delle tecnologie wireless, “Per portare i dati dal dispositivo al sistema di controllo vengono di solito utilizzati software proprietari che non possono operare su piattaforme diverse”. Si potrebbe dire che ciascuno svolge il suo specifico lavoro correttamente. Il problema è che gli strumenti di misura utilizzati in un'industria devono essere in grado di comunicare con altri strumenti di misura e controllo, indipendentemente dal modo e dal luogo in cui la misura stessa è stata effettuata. Affinché la tecnologia wireless possa spiccare il volo, l'interoperabilità deve essere garantita per mezzo di ambienti software di più alto livello.

Sistemi di misura ibridi e tecnologie wireless
A causa delle limitazioni degli attuali prodotti wireless, molte applicazioni possono essere difficilmente implementate tramite soluzioni che utilizzino unicamente la tecnologia wireless. La maggior parte dei sistemi di misura ha qualche requisito che rende necessaria l'integrazione di un sistema cablato, come ampiezza di banda, sincronizzazione, disponibilità di I/O, requisiti di potenza o integrazione di sistema. Con i sistemi ibridi si può ottenere il massimo vantaggio dalla tecnologia wireless. I sistemi ibridi combinano componenti di diverse piattaforme di misura e controllo, indipendentemente dal luogo in cui si trovano, dal metodo di trasferimento dei dati e dal produttore. I sistemi ibridi ruotano attorno ad un'architettura Pc centrale, che può combinare strumenti dedicati, Ethernet o Gpib, e strumenti basati su Pc in formato Pxi, strumenti portatili via Usb e strumenti wireless Wi-Fi o ZigBee. I sistemi ibridi utilizzano un ambiente di sviluppo con software aperto per riuscire a comunicare attraverso l'intero sistema di misura e controllo.
La chiave per creare e mantenere un sistema ibrido è implementare un'architettura di sistema che metta insieme le tecnologie di diversi bus di comunicazione in maniera trasparente e che utilizzi una piattaforma software aperta per comunicare fra i sistemi di produttori specifici. Con questo approccio si può scegliere il miglior hardware per l'acquisizione dati e il controllo in base alle specifiche per una particolare misura. NI LabView può fornire il collante necessario affinché l'intero sistema funzioni. Con LabView si possono riutilizzare sistemi di misura già esistenti, inclusi dispositivi di acquisizione dati basati su Pc, strumentazione modulare, dispositivi dedicati, e li si può integrare con nuovi prodotti wireless.

Alcuni esempi di integrazione di LabView con la tecnologia wireless includono:

  • comunicare tramite protocolli standard utilizzando librerie scritte in LabView che includono Tcp/Ip;
  • impiegare LabView con il modulo LabView Pda per comunicare con i palmari tramite Wi-Fi e Bluetooth;
  • connettere controllori programmabili per l'automazione di NI o Pac (Programmable Automation Controller), compresi NI CompactRio e Compact Field Point, con access point industriali Wi-Fi e radio Gps;
  • utilizzare i driver forniti con LabView per comunicare con una varietà di sensori wireless di produttori terze parti.


Coesistenza di sistemi wireless e cablati

Fra le tecnologie disponibili, il wireless è una delle più promettenti per quanto riguarda l'acquisizione dati. Ad ogni modo, c'è un periodo di transizione durante il quale la nuova tecnologia non rimpiazza la vecchia, ma deve interoperare con essa. Questa tendenza è valida anche nel campo del test e della misura, dove i nuovi sistemi impiegano una combinazione di nuove tecnologie, come per esempio la strumentazione modulare Pxi, assieme a vecchie eredità come gli strumenti tradizionali e Vxi. Utilizzando una piattaforma software aperta come LabView, si può cominciare ad aggiungere le potenzialità della tecnologia wireless applicata alla misura, continuando a utilizzare i sistemi di misura su cui si è già investito.

 

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