Narrow band IoT communication for Modbus/TCP devices

Abstract IoT refers to the interconnection between various objects that can communicate among each other with minimal need for human supervision. Due to the rapid advances in the ﬁeld of underlying technologies, IoT has many opportunities in several different areas such as security, asset tracking, remote monitoring, metering (gas, water and electric) and smart grid to name a few. In order to meet the requirements set forth by such applications, the 3GPP (Third Generation Partnership Project) has introduced a new radio access technology called NB-IoT [5]. NB-IoT is a cellular technology related to LTE, designed specifically for LPWA applications, using licensed spectrum on a range of possible bands. It was designed to offer 20dB coverage improvement versus GSM, 12–15 years operation on a single battery charge, low device cost, and compatibility with existing cellular network infrastructure, with the same level of security as LTE. It can be deployed in a variety of frequency bands using a bandwidth of only 200 kHz as a selfcontained carrier [12]. NB-IoT is expected to be used as a technology that enables to read smart devices for household or industrial applications. A lot of devices in the industry are using Modbus protocol. It is widely-accepted, open, public-domain protocol and has become an industry standard method for the transfer of data between industrial control and monitoring devices. This thesis work was done under the guidance of ABB S.p.A, Bergamo. ABB is a technology leader in electrification products, robotics and motion,industrial automation and power grids, serving customers in utilities, industry and transport & infrastructure globally. As a big part of the industry and one of the biggest vendors they have recognized the potential of NB-IoT for network connectivity for their devices. They have a lot of devices that use different versions of the Modbus protocol. This thesis was related to ABB with the main focus on their industrial circuit breakers. They were closely following the progress of the project and were involved in the technical issues and solutions for its duration. In this thesis, our objective is to present an implementation of Modbus TCP communication between two devices over NB-IoT radio technology. The Development Board that we are using can only send UDP packets, and the NB-IoT technology itself favors the use of UDP as a transport protocol due to device and battery constraints. The proposed design is to have a Modbus communication endto-end. That means we do not open the Modbus packet, we do not care what is inside in any of the transient entities. We just take it as a payload and put a TCP or UDP wrapper around it, depending on the transient entity. The results demonstrate that this type of communication is viable and has acceptable latency for NB-IoT. Our implementation provides a channel for communication between 2 Modbus points regardless of the type of devices used.

Sommario IoT si riferisce all'interconnessione tra vari oggetti che possono comunicare tra loro con il minimo bisogno di supervisione umana. A causa dei rapidi progressi nel campo delle tecnologie sottostanti, l'IoT ha molte opportunità in diversi settori come sicurezza, tracciamento delle risorse, monitoraggio remoto, misurazione (gas, acqua ed elettricità) e smart grid. Al fine di soddisfare i requisiti stabiliti da queste applicazioni, il 3GPP (Third Partnership Partnership Project) ha introdotto una nuova tecnologia di accesso radio denominata NB-IoT [5]. NB-IoT è una tecnologia cellulare correlata a LTE, progettata specificamente per le applicazioni LPWA, che utilizza uno spettro concesso in licenza su una gamma di possibili bande. È stato progettato per offrire un miglioramento della copertura di 20 dB rispetto al GSM, 12-15 anni di funzionamento con una singola carica della batteria, basso costo del dispositivo e compatibilità con l'infrastruttura di rete cellulare esistente, con lo stesso livello di sicurezza dell'LTE. Può essere implementato in una varietà di bande di frequenza utilizzando una larghezza di banda di soli 200 kHz come carrier autonomo [12]. NB-IoT dovrebbe essere utilizzato come tecnologia che consente di leggere dispositivi intelligenti per applicazioni domestiche o industriali. Molti dispositivi del settore industriale utilizzano il protocollo Modbus. È un protocollo ampiamente accettato, aperto e di dominio pubblico ed è diventato un metodo standard industriale per il trasferimento di dati tra dispositivi di controllo industriale e di monitoraggio. Questo lavoro di tesi è stato svolto sotto la guida di ABB S.p.A, Bergamo. ABB è un leader tecnologico nei prodotti di elettrificazione, robotica e movimento, automazione industriale e reti elettriche, al servizio dei clienti nelle utility, nell'industria e nei trasporti e infrastrutture a livello globale. Come una grande parte del settore industriale e uno dei più grandi fornitori, hanno riconosciuto il potenziale di NB-IoT per la connettività di rete per i loro dispositivi. Dispongono di molti dispositivi che utilizzano versioni diverse del protocollo Modbus. Questa tesi era relativa a ABB con l'obiettivo principale dei propri interruttori industriali. Stavano seguendo da vicino il progresso del progetto e sono stati coinvolti nelle questioni tecniche e nelle soluzioni per la sua durata. In questa tesi, il nostro obiettivo è presentare un'implementazione della comunicazione Modbus TCP tra due dispositivi tramite la tecnologia radio NBIoT. La scheda di sviluppo che stiamo utilizzando può inviare solo pacchetti UDP e la stessa tecnologia NB-IoT favorisce l'uso di UDP come protocollo di trasporto a causa di limitazioni di dispositivo e batteria. Il design proposto è di avere una comunicazione Modbus end-to-end. Ciò significa che non apriamo il pacchetto Modbus, a noi non interessa quello che c'è dentro a nessuna delle entità transitori. Lo prendiamo come un carico utile e mettiamo intorno un wrapper TCP o UDP, dipendente dell'entità transitoria. I risultati dimostrano che questo tipo di comunicazione è praticabile e ha una latenza accettabile per NB-IoT. La nostra implementazione fornisce un canale per la comunicazione tra 2 punti Modbus indipendentemente dal tipo di dispositivi utilizzati.