Falhas de design sem fio

Com o potencial de gerar economia de custos operacionais e de energia em quase todos os aspectos da fabricação, incluindo transporte e armazenamento, a IIoT da internet das coisas industrial está projetada para crescer exponencialmente. A conectividade sem fio pode acelerar a adoção da IIoT devido à facilidade de instalação, aplicação e reconfiguração. No entanto, os argumentos contra o uso de wireless em aplicações IIoT centraram-se em torno de sua confiabilidade, com base principalmente em experiências negativas do usuário. Tudo, desde teclados sem fio a agregadores de dados, sofre de limitações de alcance, com uma única parede de cimento às vezes sendo o derradeiro assassino de alcance! Confiabilidade e segurança são essenciais para comunicações sem fio em instalações industriais onde falhas não são uma opção.

Felizmente, a confiabilidade das comunicações sem fio melhorou drasticamente nos últimos tempos. Avanços significativos na arquitetura de rede e no desempenho de RF resultaram na implantação de inúmeros dispositivos que usam comunicação sem fio de curto alcance em ambientes industriais hostis, como óleo e gás e medidores inteligentes de eletricidade. No entanto, à medida que amadurecem, é fácil presumir erroneamente que todas as tecnologias sem fio funcionam bem. Embora esteja se tornando muito mais fácil construir protótipos de produtos que se comuniquem sem fio, o baixo desempenho geralmente pode ser atribuído à falta de experiência e conhecimento por parte do designer. Falhas podem ser evitadas seguindo diretrizes de projeto simples desde o início. Simplificando, a conexão sem fio não funcionará sem um projeto de RF adequado. É quase impossível abordar todas as possíveis razões pelas quais um projeto de RF pode não funcionar, mas, revisando os erros comuns cometidos anteriormente, eles podem pelo menos ser evitados.

Talvez a peça mais crítica em um sistema de RF seja a antena – a peça de metal que impulsiona a radiação eletromagnética no ar. Para que um produto de RF funcione da melhor maneira possível, a antena deve ser dimensionada para corresponder à frequência dos sinais de RF que transmite/recebe e estar localizada onde possa irradiar livremente e sem obstrução. Um módulo de RF com uma antena embutida deve estar localizado na borda da PCI portadora com um corte de aterramento. As seguintes diretrizes se aplicam à antena:

Os circuitos de RF são suscetíveis a ruídos elétricos e magnéticos. O ruído elétrico pode conter harmônicos de alta frequência, dessensibilizando o receptor de RF, ou pode ser modulado e transmitido pelo transmissor de RF, resultando em emissões fora de banda. Um circuito de RF deve estar localizado longe de um sistema com CPU de alta velocidade e barramento de memória, pois os harmônicos produzidos por sinais de clock rápido também podem dessensibilizar o receptor de RF. Os circuitos de RF também não devem ser colocados perto de componentes de comutação como Triacs, fontes de alimentação de modo comutado ou circuitos de controle para motores elétricos. Os transientes produzidos pela comutação de tensão podem ser transmitidos como esporões pelo rádio, dessensibilizando o receptor de RF.

Os dispositivos de RF normalmente passam de um estado de energia muito baixa, onde o consumo de corrente é da ordem de micro amperes, para um estado ativo, onde o consumo de corrente típico é da ordem de vários miliamperes. Se a fonte (bateria) que alimenta o dispositivo de RF não for escolhida corretamente, mudanças bruscas no consumo de corrente podem resultar em quedas de tensão, que podem acionar um dispositivo de RF para reiniciar e, portanto, não transmitir corretamente. Se um circuito de RF não estiver adequadamente desacoplado e o nível de tensão da fonte de alimentação estiver próximo do limite de reinicialização, o circuito de RF poderá ser reinicializado por quedas de tensão durante as transmissões sem fio.

Alguns exemplos da vida real dos erros acima incluem:

Antena de RF localizada perto de ruído — Um gateway com uma CPU de alta velocidade foi implementado usando dois PCBs – um para o PCB da CPU e outro com uma antena embutida localizada próxima a um barramento de memória. O alcance do produto resultante foi de apenas cerca de 2 metros. Quando redesenhada, a antena foi movida para longe do barramento de memória e o mais longe possível do PCB da CPU (dadas as restrições do gabinete), e a gama de produtos melhorou para mais de 30 metros.