WLAN e Bluetooth hanno una larghezza di banda limitata, rendendo problematica la comunicazione wireless convenzionale nell'ambiente di produzione. Tuttavia, numerosi componenti come sensori e robot devono essere collegati in modalità wireless. Per vincere questa sfida, un team di ricercatori del Fraunhofer IOSB-INA di Lemgo sta lavorando a soluzioni con l'aiuto dell'Università di Scienze Applicate e Arti di Ostwestfalen-Lippe (OWL). Prossimamente, si spera che le macchine negli edifici industriali comunichino tra loro utilizzando impulsi luminosi. Questa tecnologia non è nuova, ma ora deve essere adattato per l'uso nell'industria.

Sistemi di trasporto senza conducente, nastri trasportatori, motori, robot, sensori, droni, sistemi di monitoraggio, dispositivi mobili, e un'ampia gamma di macchine e attrezzature:comunicano tra loro e scambiano dati nell'ambiente di produzione. Sono spesso installati e gestiti in luoghi diversi, rendendo indispensabile una connessione wireless e che deve funzionare senza problemi se si vogliono evitare tempi di fermo della produzione. Da molto tempo godiamo dei vantaggi delle connessioni wireless come WLAN (WiFi) e Bluetooth nella nostra vita professionale e personale, ma nella produzione, la comunicazione wireless convenzionale sta raggiungendo i suoi limiti:WLAN e Bluetooth hanno una larghezza di banda limitata. In considerazione del crescente numero di utenti, ricevitori e dispositivi, lo spettro wireless è sovraccarico. Mentre la tecnologia 5G allevierà questo problema, i ricercatori del Fraunhofer IOSB-INA di Lemgo, il ramo di automazione industriale del Fraunhofer Institute for Optronics, Tecnologie di sistema e sfruttamento delle immagini IOSB, credono che ci sia un modo più efficace e senza licenza per superare le sfide della comunicazione nell'ambiente di produzione. Stanno adottando un approccio diverso e hanno scelto lo spettro della luce visibile per la trasmissione dati wireless. Gli esperti chiamano questa tecnologia di comunicazione a luce visibile (VLC, vedi riquadro). "Lo spettro della luce è circa 4000 volte più ampio dell'intero spettro wireless disponibile. Va da lunghezze d'onda di 380 a 800 nanometri, "dice Daniel Schneider, ricercatore presso Fraunhofer IOSB-INA. Insieme ai suoi colleghi e alla OWL University of Applied Sciences, sta lavorando per portare VLC nell'industria. Il lavoro di ricerca sul progetto "Visible Light in Production" finanziato dal Ministero federale tedesco dell'economia e dell'energia (BMWi) - un progetto di ricerca collaborativa industriale guidato dalla Società tedesca di ricerca per l'automazione e la microelettronica (DFAM) - è già iniziato un anno fa .

Mancanza di studi sulle condizioni per VLC nell'ambiente industriale

VLC è già utilizzato negli uffici, case e laboratori e, da poco tempo, viene utilizzato anche per implementare sistemi di navigazione indoor nei centri commerciali. edifici di fabbrica, però, dove ci sono molte più fonti di interferenza, presentano sfide significative per la tecnologia delle comunicazioni che non sono state ancora studiate in modo sufficientemente approfondito. "In alternativa all'accesso alla rete wireless convenzionale, utilizzeremo disponibili in commercio, LED ad alta efficienza energetica per la nostra soluzione di comunicazione a luce visibile. La chiave è essere in grado di stabilire un sistema che si dimostri resistente a quante più interferenze possibile, " dice Schneider. Questo tipo di sistema è affidabile quando problemi di copertura dovuti a muri, oggetti metallici, macchine e altri segnali di interferenza possono essere superati. "Illuminazione artificiale, effetti di ombre e riflessi possono influenzare la trasmissione dei dati da parte della luce. In collaborazione con cinque aziende industriali, abbiamo effettuato misurazioni per analizzare fino a che punto lo fanno, e in quali aree e importi." Tra gli altri strumenti per le prove, hanno utilizzato uno spettrometro che può essere ruotato su due assi e che misura la distribuzione spaziale delle sorgenti di interferenza. La campagna di misurazioni si è concentrata su un totale di tre fattori di influenza:luce ambientale, particelle e riflessi ambientali, che gli esperti chiamano anche scattering multipath.

I riflessi di luce interferiscono con la trasmissione dei dati

I test hanno dimostrato che le particelle di polvere non rappresentano un problema per i segnali ottici. "Gli edifici industriali sono normalmente ben ventilati, quindi le tipiche concentrazioni di particelle non assorbono il segnale luminoso in misura rilevante, " afferma il ricercatore. Anche le persone e i veicoli che si muovono lentamente (0,2 m/s) non ostacolano la qualità del segnale. Luce ambientale, d'altra parte, interessa l'intero spettro ottico. I partner del progetto hanno identificato un totale di dieci modelli le cui condizioni di illuminazione influenzano i sistemi VLC. Tra questi ci sono processi di saldatura e tubi fluorescenti, oltre a sistemi di tracciamento ottico, ma gli effetti di questi sono strettamente locali e non interessano l'area circostante. Perciò, secondo i risultati del test, I sistemi VLC devono essere in grado di rispondere in modo adattivo alle condizioni di illuminazione per ridurre al minimo questi tipi di fattori di interferenza. I ricercatori hanno anche identificato lo scattering multipercorso come un fattore di interferenza:"Una lampada emette luce in più direzioni, e questa luce raggiunge il ricevitore tramite riflessioni. Se queste riflessioni variano molto, poi la luce raggiunge il ricevitore in tempi diversi e con diversi gradi di assorbimento. Ciò distorce il segnale utile nell'intervallo dei nanosecondi e riduce la qualità della trasmissione, " spiega il ricercatore. Sulla base dei risultati della misurazione quantitativa, Schneider e il suo team stanno sviluppando sistemi VLC adattabili all'ambiente per uso industriale.

Nessuna possibilità di furto di dati

VLC non offre solo larghezze di banda maggiori rispetto alla WLAN, garantisce inoltre la sicurezza dei dati. I segnali wireless viaggiano attraverso i muri, così le comunicazioni possono essere intercettate e manipolate al di fuori degli edifici della fabbrica. Questo non è possibile con la luce. I potenziali aggressori non hanno alcuna possibilità qui. Un altro vantaggio è che VLC consente di connettere in modalità wireless più di 1000 dispositivi tra loro. "Una volta stabilito il design ideale per il nostro sistema VLC in base alla nostra campagna di misurazioni, saremo in grado di far funzionare più di 1000 dispositivi in ​​un'unica posizione in modo da risparmiare energia, è sicuro contro l'intercettazione ed è insensibile ai campi elettromagnetici, " dice il ricercatore di Lemgo. A parte l'illuminazione a soffitto, l'hardware richiesto dovrebbe essere limitato a una connessione Internet e un ricetrasmettitore collegato al dispositivo terminale. Il dimostratore esistente è attualmente in fase di test in condizioni reali nello SmartFactoryOWL di Lemgo. Entrambi, grandi aziende e PMI, dovrebbero beneficiare del sistema completato già a metà del 2021.