SmartMesh-Funknetz für industrielles IoT Verifizieren der Zuverlässigkeit

Funk-Sensornetzwerke für den industriellen Einsatz müssen über einen langen Betriebszeitraum mit hoher Zuverlässigkeit arbeiten. Um die Zuverlässigkeit der Übertragung zu prüfen, müssen diese Funknetzwerke während des Tests unter Stress betrieben werden.

Das industrielle Internet der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT) benötigt industrie­taugliche Funk-Sensornetzwerke (WSN – Wireless Sensor Network) mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Sicherheit [1]. Da solche Netzwerke zuverlässig mehr als zehn Jahre ohne jegliches Eingreifen der Nutzer arbeiten sollen, müssen industrielle WSNs auch dann zuverlässig funktionieren, wenn sich einige Umgebungsbedingungen mit der Zeit stark ändern. Zusätzlich müssen industrielle WSNs auch noch skalierbar und flexibel anpassbar sein, sodass das Funk-Sensornetzwerk mit der Geschäftsentwicklung und dem Datenverkehr über eine signifikant lange Zeitperiode mitwachsen kann.

Die Funknetzwerkprodukte der SmartMesh-Serie von Linear Technology sind speziell für Anwendungen im IIoT entworfen und bieten in einigen der rauesten Umgebungen eine Datenübertragung mit >99,999 % Zuverlässigkeit. Um dies zu gewährleisten, testet Linear Technology vor jeder Markteinführung einer neuen Software-Version die Software über eine Million Stunden im Netzwerkbetrieb. Erst dann wird die Software für die Produktion freigegeben.

Qualität des Funk-Transceiver testen

Die Leistungsfähigkeit eines Funk-Sensornetzwerkes hängt sowohl von der Schaltung des Funk-Transceiver als auch vom Protokoll ab, das auf dem IC läuft. SmartMesh-Funk-ICs wie der LTC5800 von Linear Technology durchlaufen strenge Prüfungen, um ihre Betriebs­parameter zu bestätigen. Diese Tests werden über mehrere Produktionschargen hinweg durchgeführt und die Ergebnisse in den Datenblättern veröffentlicht. Die Qualitätsprüfungen für den Schaltkreis beinhalten auch einen kombinierten Lebensdauer- (Highly Accelerated Lifetime Test, kurz: HALT) und Funktionstest im Netzwerkbetrieb. In Betrieb und in einem Netzwerk eingebunden, wird der Funk-Transceiver gleichzeitig gestresst durch Kälte, Wärme, Betriebsspannungsschwankungen, schnelle Temperaturwechsel, Vibration und kombinierte Belastung durch Temperaturwechsel und Vibration sowie erweiterte Temperaturtests (Bild 1).

Automatisierte Netzwerk-­Testmethode

Um die Zuverlässigkeit im Betrieb sicherzustellen, muss der Test umfassend Situationen abdecken, denen ein Netzwerk in vielen Betriebsjahren ausgesetzt wird. Hier setzt Linear Technology automatische Testsysteme extensiv ein, um Hunderte von Netzwerktests zu vereinfachen, von denen jeder einen speziellen Satz an Testbedingungen verifiziert. Ein Netzwerk-Prüfstand (Bild 2) bestehend aus Bänken mit Hunderten von Funkknoten kann leicht konfiguriert werden, um eine beliebige Anzahl von Testnetzwerken zu realisieren – egal ob groß oder klein. Ein zentraler Test-Server kann alle beteiligten Netzwerke schnell in Betrieb nehmen, mehrere Tests durchführen und die Funkknoten über ihr API (Application Programming Interface) für die nächste Testreihe programmieren und anschließend erneut in Betrieb nehmen. Vollständige Regressionstests lassen sich pragmatisch mit Automatisierung durchführen. Sie stellen sicher, dass bestehende Funktionen und Verhaltensweisen in nachfolgenden Software-Versionen erhalten bleiben.

Der Prüfstand bildet auch eine dichte, verrauschte HF-Umgebung, weil jedes Funknetzwerk im Test quasi im einem Meer von Funksignalen anderer Netzwerke eingebettet ist, die gleichzeitig arbeiten. Dieser Netzwerkdatenverkehr, zusammen mit nahen WLAN-Routern, Bluetooth und Mobilfunk, erzeugt ein erhöhtes HF-Grundrauschen, wie es für eine extrem herausfordernde HF-Umgebung repräsentativ ist.