WLAN och Bluetooth har begränsad bandbredd, vilket gör konventionell trådlös kommunikation problematisk i produktionsmiljön. Ändå, många komponenter som sensorer och robotar måste anslutas trådlöst. För att övervinna denna utmaning, ett team av forskare vid Fraunhofer IOSB-INA i Lemgo arbetar med lösningar med hjälp från Ostwestfalen-Lippe (OWL) University of Applied Sciences and Arts. Snart, man hoppas att maskiner i fabriksbyggnader kommer att kommunicera med varandra med hjälp av ljuspulser. Denna teknik är inte ny, men nu måste den anpassas för användning inom industrin.

Förarlösa transportsystem, transportband, motorer, robotar, sensorer, drönare, övervakningssystem, Mobil enheter, och ett brett utbud av maskiner och utrustning - de kommunicerar alla med varandra och utbyter data i produktionsmiljön. De installeras och drivs ofta på olika platser, att göra en trådlös anslutning oumbärlig - och det måste fungera smidigt för att undvika produktionsstopp. Vi har njutit av fördelarna med trådlösa anslutningar som WLAN (WiFi) och Bluetooth i vårt professionella och personliga liv sedan länge, men i tillverkningen, konventionell trådlös kommunikation närmar sig sina gränser:WLAN och Bluetooth har en begränsad bandbredd. Med tanke på det ökande antalet användare, mottagare och enheter, det trådlösa spektret är överbelastat. Medan 5G -tekniken kommer att lindra detta problem, forskarna vid Fraunhofer IOSB-INA i Lemgo, Industrial Automation Branch på Fraunhofer Institute for Optronics, Systemteknologi och bildutnyttjande IOSB, tror att det finns ett mer effektivt och licensfritt sätt att övervinna utmaningarna för kommunikation i tillverkningsmiljön. De tar ett annat tillvägagångssätt och har valt spektrumet för synligt ljus för trådlös dataöverföring. Experter kallar denna teknik för kommunikation med synligt ljus (VLC, se ruta). "Ljusspektrumet är cirka 4000 gånger bredare än hela det tillgängliga trådlösa spektrumet. Det sträcker sig från våglängder på 380 till 800 nanometer, säger Daniel Schneider, en forskare vid Fraunhofer IOSB-INA. Tillsammans med sina kollegor och OWL University of Applied Sciences, han arbetar med att föra VLC till industrin. Forskningsarbete kring projektet "Synligt ljus i produktion" finansierat av det tyska förbundsministeriet för ekonomi och energi (BMWi) - ett industriellt samarbetsforskningsprojekt som leds av det tyska forskningssällskapet för automation och mikroelektronik (DFAM) - började redan för ett år sedan .

Brist på studier om villkor för VLC i industrimiljön

VLC används redan på kontor, hem och laboratorier och, sedan nyligen, det används också för att implementera inomhusnavigationssystem i köpcentrum. Fabriksbyggnader, dock, där det finns mycket fler källor till störningar, utgör betydande utmaningar för kommunikationsteknik som ännu inte har studerats tillräckligt djup. "Som ett alternativ till konventionell trådlös nätverksåtkomst, vi kommer att använda kommersiellt tillgängliga, energieffektiva lysdioder för vår kommunikationslösning för synligt ljus. Nyckeln är att kunna etablera ett system som visar sig motstå så mycket störningar som möjligt, "säger Schneider. Denna typ av system är tillförlitlig när täckningsproblem på grund av väggar, metallföremål, maskiner och andra störande signaler kan övervinnas. "Konstgjord belysning, skuggningseffekter och reflektioner kan påverka dataöverföring med ljus. I samarbete med fem industriföretag, vi utförde mätningar för att analysera i vilken utsträckning de gör det, och i vilka områden och mängder. "Bland andra verktyg för testerna, de använde en spektrometer som kan roteras om två axlar och som mäter den rumsliga fördelningen av störningskällorna. Mätkampanjen fokuserade på totalt tre påverkande faktorer:omgivande ljus, partiklar och omgivande reflektioner, som experter också kallar multipath scattering.

Ljusreflektioner stör dataöverföringen

Testerna visade att dammpartiklar inte utgör några problem för optiska signaler. "Fabriksbyggnader är normalt väl ventilerade, så att de typiska partikelkoncentrationerna inte absorberar ljussignalen i någon relevant utsträckning, "säger forskaren. Människor och fordon som rör sig långsamt (0,2 m/s) hindrar inte heller signalkvaliteten. Omgivande ljus, å andra sidan, påverkar hela det optiska spektrumet. Projektpartnerna identifierade totalt tio modeller vars ljusförhållanden påverkar VLC -system. Bland dem finns svetsprocesser och lysrör, samt optiska spårningssystem, men effekterna av dessa är strikt lokala och påverkar inte det omgivande området. Därför, enligt testresultaten, VLC -system måste kunna reagera adaptivt på ljusförhållandena för att minimera denna typ av störningsfaktorer. Forskarna identifierade också multipath scattering som en störningsfaktor:"En lampa avger ljus i flera riktningar, och detta ljus når mottagaren via reflektioner. Om dessa reflektioner varierar kraftigt, då når ljuset mottagaren vid olika tidpunkter och med varierande grad av absorption. Detta snedvrider den användbara signalen i nanosekundområdet och sänker överföringskvaliteten, "förklarar forskaren. Baserat på de kvantitativa mätresultaten, Schneider och hans team utvecklar miljöanpassade VLC-system för industriellt bruk.

Ingen risk för datastöld

VLC erbjuder inte bara större bandbredder än WLAN, det garanterar också datasäkerhet. Trådlösa signaler går genom väggar, så att kommunikation kan fångas upp och manipuleras utanför fabriksbyggnader. Detta är inte möjligt med ljus. Potentiella angripare har ingen chans här. En annan fördel är att VLC gör det möjligt att trådlöst ansluta mer än 1000 enheter med varandra. "När vi väl har etablerat den perfekta designen för vårt VLC -system baserat på vår mätkampanj, vi kommer att kunna driva mer än 1000 enheter på en plats på ett sätt som sparar energi, är säker mot avlyssning och är okänslig för elektromagnetiska fält, "säger forskaren från Lemgo. Förutom takbelysningen, den nödvändiga hårdvaran förväntas begränsas till en internetanslutning och en transceiver ansluten till terminalenheten. Den befintliga demonstratorn testas för närvarande under verkliga förhållanden i SmartFactoryOWL i Lemgo. Både, stora företag och små och medelstora företag, förväntas dra nytta av det färdiga systemet redan i mitten av 2021.