Kis fogyasztású MCU-k és Bluetooth rádiók IoT-alkalmazásokhoz

A ma már hétköznapi Internet of Things (IoT) a háztartási készülékeket olyan eszközökké teszi, amely engedi a felhasználónak, hogy gazdálkodjon a költségeivel és idejével, a készülékgyártóknak pedig új bevételi forrást nyit. A tervezők szenzorokkal láthatják el készüléküket, amellyel az alkalmazás módjának ismétlődő mintáit fedezhetik fel, optimalizálhatják az energiafogyasztást, és kényelmes felhasználói interfészt kínálnak.

Azáltal, hogy az Internet of Things (IoT) eszközeinek száma várhatóan nagyságrendnyivel haladja meg majd a mobiltelefonokét, a közeljövőben már tízmilliárdnyi IoT-eszközt kell működtetnünk. A háztartási készülékek tervezői arra törekednek, hogy a jelenlegi háztartási készülékek energiaigényéhez képest az IoT-képességek hozzáadása csökkentse (de legalább is ne növelje) az energiaigényt a kormányzati szabályozásoknak megfelelően.
Annak érdekében, hogy ennek az elvárásnak eleget tehessünk, rendkívül kis energiafelvételű mikrovezérlőket (MCU) és Bluetooth^® Smart rádiókommunikációs eszközöket kell felhasználnunk. Ezek rugalmas és költséghatékony módot kínálnak az IoT-hierarchia legalján levő készülékek adatforgalmának lebonyolítására. Vizsgáljuk meg először ezeket a szempontokat a kis fogyasztású IoT eszközökre vonatkoztatva.

Mi is az az IoT?

Az IoT fogalmának számos definíciója létezik, amelyek közül gyakran azt választják, amely a legjobban illeszkedik annak a piacnak az elvárásaihoz, amelyben az illető cég érdekelt. Úgy véljük, a Wikipedia alábbi szócikke jól foglalja össze a koncepció lényegét: „Az Internet of Things egyedileg azonosítható beágyazott informatikai eszközök hálózata a létező internetes infrastruktúra keretei között. Az IoT-től jellemzően azt várjuk, hogy olyan fejlett kommunikációt tegyen lehetővé a készülékek, rendszerek és szolgáltatások között, amely túlmutat a gép–gép (Machine to Machine, M2M) kapcsolat keretein, és sokféle protokollt, alkalmazási területet és alkalmazást fed le.”
Ha ezt a definíciót az IoT-képességű háztartási készülékekre vonatkoztatjuk, azoknak egyedileg azonosíthatóknak kell lenniük, és széleskörű kommunikációs képességekkel (mint például a Bluetooth Smart vagy a WiFi^®) kell rendelkezniük, és a létező internetes infrastruktúrára kell csatlakozniuk.

IoT-alapú szolgáltatások

A háztartási gépek internetre csatlakoztatása új paradigmákat vezet be mind a fogyasztók, mind a gyártók számára. A fogyasztók számára felkínálja azt az értéket, hogy kézben tarthassák költségeiket és maguk oszthassák be idejüket. A gyártóknak azt a lehetőséget nyitja meg, hogy képesek legyenek figyelemmel kísérni az értékesített háztartási eszközeik teljesítőképességét, előre jelezni és időben megoldani a karbantartási feladatokat, és árbevétel-növelő struktúrákat kidolgozni a következő termékgeneráció számára (1. táblázat).

1. táblázat

Az okostelefon, mint a felhasználó IoT-átjárója

Az okostelefon, a kis fogyasztású mikrovezérlő (MCU) és a Bluetooth Smart rádió a gyártók számára a legegyszerűbb eszközrendszer ahhoz, hogy termékeiket IoT-képességekkel ruházzák fel. Az okostelefonok ma már integrált Bluetooth Smart kommunikációval rendelkeznek, amely a közvetlen átjáró (gateway) szerepét tölti be az internetre kapcsolódásnál azzal az előnnyel, hogy egyszerűen összepárosítható a háztartási készülékkel. Egy okostelefon-alkalmazás gondoskodhat a felhasználói interfészről és kezelheti a kétirányú adatátvitelt a háztartási készülék és az internet között. Az IoT-készülék kommunikációjának másik módszere a WiFi, amelynek előnye, hogy állandó csatornát építhet ki a szenzoradatok továbbítására, hátránya viszont, hogy kissé bonyolultabb a párosítás, a kapcsolat felépítése.
A Bluetooth Smart a beacon (itt: átjátszó állomás) lehetőségét is felkínálja, amellyel jelentősen egyszerűbbé válik a párosítás folyamata. Ugyanis a beaconok képesek „meghirdetni” (lásd a 3. ajánlott irodalmat) jelenlétüket az okostelefonoknak, ha az a közelükben helyezkedik el. A WiFi párosításhoz ezzel szemben meg kell nyomni a WiFi Direct gombot a routeren, amely nem ritkán más helyiségben van telepítve.

A rendszer egyszerű

A háztartási készülékek IoT-kommunikációjáról egy kis fogyasztású MCU és egy Bluetooth Smart rádiókommunikációs egység képességeinek egyesítése gondoskodik. Az MCU gyűjti a szenzoradatokat (például az energiafogyasztást vagy az üzemidőt), amelyeket a háztartási készülék állít elő és tárol valamilyen alkalmas formátumban. Amikor az okostelefon összekapcsolódik a háztartási készülékkel, az adatok feltöltődnek a telefonba, ott pedig vagy megjelenítődnek vagy továbbítódnak. Az MCU és a rádióegység kis fogyasztása révén pedig betarthatók azok a kormányzati előírások, hogy a kommunikációs képesség beépítése nem okozhat mérhető növekedést az energiafogyasztásban.

Bluetooth alapok

Miután láttuk a rendszer egyszerű felépítését, ismerkedjünk meg az alkatrészeivel részletesebben is. Kezdjük a Bluetooth-tal. Amelynek az olvasó valószínűleg már évek óta használja valamelyik változatát, a Bluetooth-beszélőkészletet vagy az autó audio-rendszerének vezetékmentes átvitelét. Azonban a háztartási készülékekhez legalkalmasabb változat a Bluetooth Smart. Ez egy aránylag új szabvány, amelyet csak nemrég hozott nyilvánosságra a Bluetooth SIG (Special Interest Group – informális szakmai szabványosítási együttműködés). Ez az új szabvány kis teljesítményfelvételű működést tesz lehetővé, amely ideális az IoT-alkalma-zásokhoz. A 2. táblázatban (2. irodalmi hivatkozás) látható, hogy a Bluetooth Classic nagyobb hatótávolságot és 2,1 Mbit/s adatsebességet kínál. Azonban a kis adatsebességű alkalmazásokban, mint amilyenek az IoT-képességű háztartási készülékek, nincs szükség ekkora sávszélességre. A Bluetooth Smart előnye, hogy gyors az összekapcsolódás, az adatsebesség viszont az IoT és a kis fogyasztású készülékek alacsonyabb igényéhez igazodik. A 2. táblázat a Classic és a Smart változat fő jellemzőit hasonlítja össze.

2. táblázat

A Bluetooth Smart rendszert az IoT hierarchia alsó rétegében való használatra tervezték. Idézzük vissza a Wikipedia definícióját, mely szerint az IoT-készülékeknek egyedileg azonosíthatónak kell lenniük; nos, a Bluetooth Smart rendszernek megvan ez a képessége. Példa erre az 1. ábrán látható tömbvázlat egy orvostechnikai Bluetooth Smart alkalmazásról.

1. ábra A Bluetooth profilhierarchiája

Az 1. ábra egy Bluetooth vérnyomásmérő profilszerkezetét mutatja. A profilhoz szolgáltatások járulnak, mint a „Készülék” szolgáltatás és a „Vérnyomás” szolgáltatás. Látható, hogy a profil tartalmazza az UUID adatot, (Universally Unique IDentifier – világegyedi készülékazonosító, a példánkban a gyártó azonosítója), amely az IoT alkalmazásoknál alapkövetelmény. Ez csak egy példa, amely a Bluetooth GATT vagy Generic Attribute Profile része. A profilokat tipikusan támogatják a Bluetooth készülékek, amint az a 2. ábrán is látható. Van ezen kívül sok más alkalmazáshoz illő profil is, amelyek egyike az egyedi, felhasználó által definiált (custom) profil (lásd a 4. irodalmat). Ez utóbbi ideális a háztartási készülékekhez.

2. ábra Egy Bluetooth Smart egység tömbvázlata

A Bluetooth Smart energiatakarékos

Ami a Bluetooth Smart rádióegységeket – az egyedi azonosító adatokon kívül – alkalmassá teszi az IoT alapú háztartási készülékekhez, az az alacsony energiafogyasztásuk. A rádiónak ugyanis megvan az a képessége, hogy összepárosítva tud maradni egy okostelefonnal anélkül, hogy állandó kapcsolatban maradna vele. És mivel a kapcsolattartás energiát igényel, ez a képessége energiát takarít meg. A Bluetooth rádiót olyan paraméterek is jellemzik, mint a csatlakozási intervallum (Connect Interval) és a slave készülék latenciaideje (Slave Latency), amelyek ezt lehetővé teszik. A 3. ábrán látható, hogy a Connect Interval az az idő, amely a slave (periféria) okostelefonnak (central) szóló adásáig eltelik, mielőtt az alacsony teljesítményfelvételű (low power) állapotba kerülne. Ez az idő néhány ms-tól néhány másodpercig terjed attól függően, amilyen kommunikációs módot a slave meghatároz, és amit a Slave Latency paraméter ad meg. Ezen paraméterek megfelelő kombinációja megengedi például, hogy minden 7,5 ms-ban adás legyen, de ha maximális energiatakarékosságra törekszünk, ez az idő akár 33 perc is lehet.

3. ábra A Bluetooth Smart kommunikációs periódusa

A kis fogyasztású MCU jellemzői

Érthető, ha az energiamérleg egyik oldalán az MCU áll, ugyanis az energiafelvételt jelentősen meghatározza annak fogyasztást korlátozó üzemmódja és az órajel frekvenciája.
A teljesítményigényt meghatározó üzemmódok: Sok kis fogyasztású MCU-nak a teljesítményigényt meghatározó üzemmódjai vannak. Ez az a képesség, hogy az MCU konfigurációját szoftveres vezérléssel meg lehet változtatni. Az ilyen üzemmódok tipikus példái a (normál) „futás” (run), a „szendergés” (doze), a „tétlen” (idle), a „kis tápfeszültségű alvó” (low-voltage sleep) és a „mélyalvó” (deep sleep) üzemmódok. Ezek mindegyikének vannak olyan kulcsfontosságú tulajdonságai, amelyek hatással vannak a teljesítményigényre. Példa erre a Microchip PIC^® MCU-k „doze” és „low-voltage sleep” üzemmódja. A „doze” módban az MCU alacsonyabb órafrekvenciával jár, mint az integrált perifériái. Ez csökkenti az áramfelvételt, de megtartja a fontos perifériák működőképességét, például az UART (aszinkron soros kommunikációs interfész, RS 232) képes továbbra is a beállított bitfrekvenciával működni. A „low-voltage sleep” az integrált tápfeszültség-szabályozót kisáramú üzemmódba kapcsolja át, amely lehetővé teszi, hogy az MCU teljes mértékben megőrizze belső állapotát, miközben az áramfelvétele csupán néhány száz nA. Emiatt a „run” állapotból „low-voltage sleep” állapotba kapcsolás 99,9%-kal csökkenti az MCU energiafogyasztását.

Órajel átkapcsolás

A kis fogyasztású MCU-k az órafrekvencia programfutás közbeni változtatásának lehetőségével is rendelkeznek. Ez lehetővé teszi, hogy az órajel frekvenciáját az éppen futó program igénye szerint állítsuk be. Ha például sok „matekot” igénylő szűrőalgoritmust futtatunk egy szenzor adatsorán, érdemes az MCU-t maximális órafrekvencián járatni. Ha viszont az MCU egy egyszerű hurokban egy programmegszakításra vár, érdemes visszavenni az órajel sebességét, amivel takarékosabb tápáramfelvételt érünk el. Ezzel a módszerrel például az 5 mA-es fogyasztás 26 µA-re csökkenthető – ez 99%-os megtakarítás. A végeredmény: a kis fogyasztású MCU-k megkönnyítik az energiatakarékos működés megvalósítását.

Kilépés az IoT peremére

Az IoT „peremvidékén” történő működés a háztartási készülékek széles körében kerülhet alkalmazásra. A kis fogyasztású MCU-k beépített képességeit és a Bluetooth rádióegységeket felhasználva ma már lehetséges a háztartási készülékek olyan továbbfejlesztése, hogy az IoT-re csatlakozhassanak úgy, hogy közben megfeleljenek a kormányzati energiahatékonysági szabályozóknak. Ez a kommunikációs képesség lehetővé teszi az adatok gyűjtését, feldolgozását és továbbítását egy okostelefonra – és mindezt olyan módon, ami még néhány éve sem volt lehetséges. Az okostelefonok ma a mindennapjaink elmaradhatatlan tartozékai, ezért észszerű azokat gateway-ként használni az értékteremtő alkalmazások megvalósításához. A felhasználók nagyra értékelik, hogy a rendszeres hétköznapi elfoglaltságaikat olyan eszközzel, az okostelefonnal menedzselhetik, ami mindig a kezük ügyében van. A gyártók is élvezhetik ennek a kapcsolattartó képességnek az előnyeit: ráláthatnak termékük teljesítőképességére és a használati szokásokra, amely modern marketing- és szervizmegoldások alkalmazását teszi lehetővé számukra. Ezek által csökkenthetik a termék teljes életciklusára vonatkoztatott költségeket és még bevételeiket is növelhetik azáltal, hogy az adatok alapján jobb minőségűvé és piacképesebbé tehetik termékeik új generációját.
Az IoT már itt van és új lehetőségeket kínál. Lépjünk előre, hogy minél jobban kihasználhassuk előnyeit.

Jason Tollefson, vezető termékmenedzser – Microchip Technology

Források:

http://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_Things

https://developer.bluetooth.org/TechnologyOverview/Pages/BLE.aspx (2013)

ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70005191A%20(1).pdf (2014)

www.microchip.com//wwwAppNotes/AppNotes.aspx?appnote=en572728 (2014)

www.microchip.com

Még több Microchip