Embedded Communication System for Crane Data Access
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
89
Series
Abstract
This thesis examines the feasibility of using an approach based on a microcontroller unit (MCU) for wireless crane data access in industrial applications. It identifies MCU-based System-on-Chips (SoCs) with wireless communication capabilities and evaluates suitable wireless communication technologies and protocols, focusing on the specific needs of industrial crane real-time access, including security and reliability. A key aspect is the design, development, and testing of an MCU-based prototype. The prototype, which enables crane data access for the crane operator’s Android user device, uses the WebSocket protocol over Wi-Fi and incorporates the identified security methods for secure messaging. It is based on ESP32 SoC and was fully developed using commercially free libraries with the ESP-IDF framework and can be configured to use either an external Wi-Fi network or the user device’s mobile hotspot. Testing the prototype with actual hardware used in modern crane systems showed the ESP32-based approach to be capable of reliably providing crane data, while meeting security requirements for industrial applications. Tests measuring signal strength (RSSI) showed moderate network quality and reliable communication within a 20-meter range with mobile hotspot. Specifically, a stable connection and data delivery were observed when RSSI measurement was above -86 dBm. The ESP32’s computational capability is not a limiting factor, although data transfer rates decrease with multiple crane’s embedded control units (ECUs) or an increased number of parameters. The system demonstrated average message processing times of 8 ms, sufficient for real-time data applications. However, other system components were performance bottlenecks, and update intervals sufficient for real-time data applications were not achieved with three or more ECUs and multiple crane data parameters. The thesis concludes that MCU-based systems, especially ESP32-based, are a promising and cost-effective option for wireless data transfer in industrial applications, satisfying needs for security and reliability. The system’s suitability for crane data access needs to be evaluated based on individual application requirements, particularly with respect to the amount of data, number of ECUs, and required update intervals.Tässä diplomityössä tutkitaan mikrokontrolleripohjaisen ratkaisun soveltuvuutta langattomaan teollisuuden nosturien datan saavutettavuuteen. Työssä kartoitetaan langattoman kommunikoinnin järjestelmäpiirejä ja arvioidaan mikrokontrolleripohjaisiin järjestelmiin soveltuvia langattomia viestintäteknologioita sekä -protokollia keskittyen erityisesti teollisten nosturien reaaliaikaisen datan tarpeisiin, kuten turvallisuuteen ja viestinnän luotettavuuteen. Keskeinen osa työtä on mikrokontrolleripohjaisen prototyypin suunnittelu, kehitys ja testaus. Prototyyppi mahdollistaa nosturidatan välittämisen Android-laitteelle WebSocket-protokollan ja Wi-Fi-yhteyden avulla käyttäen tunnistettuja tietoturvamenetelmiä. ESP32-järjestelmäpiiriin perustuva prototyyppi on kehitetty kokonaan kaupallisesti ilmaisilla ohjelmointikirjastoilla ja ESP-IDF-sovelluskehyksellä ja voidaan konfiguroida käyttämään joko ulkoista Wi-Fi-verkkoa tai käyttäjän Android-laitteen mobiilitukiasemaa. Prototyypin testaus nykyaikaisten nosturijärjestelmien laitteistoilla osoittaa, että ESP32-pohjainen ratkaisu kykenee luotettavasti välittämään nosturidataa täyttäen samanaikaisesti tarvittavat turvallisuusvaatimukset. Signaalin voimakkuutta (RSSI) mittaavat testit osoittivat yhteyden kohtalaisen laadun ja luotettavan kommunikoinnin 20 metrin etäisyydellä mobiilitukiasemasta. Kommunikointi oli luotettavaa ja yhteys vakaa RSSI-arvojen ollessa yli 86 dBm. Prototyyppi saavutti riittävän 8 ms keskimääräisen viestien prosessointiajan, mikä on riittävä reaaliaikaisille applikaatioille, eikä prototyypin laskentakyky täten osoittautunut rajoittavaksi tekijäksi. Kuitenkin rajoitteet muualla nosturijärjestelmässä osoittautuivat pullonkauloiksi, eikä datan päivitystaajuus kolmen tai useamman nosturin ohjainyksikön ja useiden nosturidataparametrien kanssa saavuttanut reaaliaikaisen datan vaatimuksia. Työn johtopäätöksenä todetaan, että mikrokontrolleripohjaiset järjestelmät, erityisesti ESP32-pohjaiset, ovat lupaavia ja kustannustehokaita vaihtoehtoja langattomaan kommunikointiin teollisuussovelluksissa täyttäen turvallisen ja luotettavan kommunikoinnin vaatimukset. Järjestelmän soveltuvuus nosturidatan välitykseen on kuitenkin arvioitava sovelluskohtaisesti erityisesti datamäärän, ohjainyksiköiden lukumäärän ja vaaditun päivitystaajuuden suhteen.Description
Supervisor
Särkkä, SimoThesis advisor
Gört, HenriMäki, Viljami