A H TEST IoT-technológiai bemutatója a Keysight megoldásaival

Az Internet of Things korunk meghatározó trendje. Számtalan elképzelés született az alkalmazására, de ennél sokkal kevesebb szó esik az eszközök gyártásának és üzemeltetésének mérnöki problémáiról és a hatékony megoldásukhoz szükséges eszközökről. A H TEST magyarországi leánycége erről szervezett bemutatót.

„Korosztályos” kérdés, hogy a megkérdezett ismeri-e (és ha igen, miről) a Hewlett Packard (HP) márkanevet. Az idősebb mérnök-generáció ifjabb éveiben számos cég keletkezett a Szilícium-völgyben, és nagy részük fejezte be néhány évi próbálkozás után tevékenységét. A HP igazán forradalmi műszaki gondolatokat valósággá váltó vállalkozásként az elsők között jutott a csúcskategóriába. A cég – sokéves sikeres, innovatív tevékenység után – azóta három vállalattá oszlott. Az eredeti – a legnagyobb műszergyártási hagyományok letéteményese, a Hewlett Packard örökölte az informatikát, amely pillanatnyilag az iparág komoly nehézségeivel küzd. A belőle kivált Agilent a labortechnológiákért, laborautomatákért felelős, és a legfiatalabb családtagnak, a Keysight-nak jutott a „családi ezüst”, az ős HP legnagyszerűbb hagyományaival rendelkező elektronikus műszer- és mérőautomata profil. Több más közt e céget képviseli Kelet-Közép-Európa néhány országában a cseh H TEST cég, amelynek magyarországi tevékenységét a H TEST Hungary Kft. látja el. A győri telephelyű magyar leánycég mára megnégyszerezte kezdeti 1 fős induló létszámát, és aktív, képzett kereskedőmérnökei az ország csúcstechnológiai vállalatainak mutatják be a fejlesztés és a gyártás műszereit és mérőrendszereit.
A cég rendszeres tevékenységei közé tartozik a meghívott érdek-lődők, aktív és potenciális vásárlók számára tartott egynapos szakmai esemény, amelynek előadásai valamilyen általános problémakör megoldásait mutatják be – éppúgy, mint legutóbb, május 17-én is az Expo Hotel fantasztikus budapesti panorámát nyújtó legfelső előadótermében.
A májusi előadás középponti témáját a „dolgok internete”, az Internet of Things (IoT) képezte, amelyből két lényeges kérdéskör emelkedett ki:

• a hosszú ideig felügyelet nélkül működő terepi készülékek energiaellátása és energiagazdálkodása, valamint

• a vezetékmentesen kommunikáló IoT-eszközök RF-mérés-technikája.

Az előadásokat a H TEST központi irodájának szakértői tartották, köztül Václav Haasz cégtulajdonos is részt vett több téma megismertetésében. Az angol nyelvű előadásokat jól érthette a hallgatóság, időtrabló és – különösen az új szakterületeken nem mindig megfelelő színvonalú – tolmácsolásra nem volt szükség. Térjünk azonban át néhány előadás tartalmának vázlatos összefoglalására. Ennél többre e helyen nem vállalkozhatunk, azonban szívesen bátorítunk mindenkit, aki kedvet kapott a H TEST-kínálat részleteinek megismerésére, hogy keresse fel a H TEST Hungary szakértőit, és/vagy vegyen részt a további hasonló eseményeken.

Mi az Internet of Things?

Az Internet of Things (IoT) rendkívül széles alkalmazási területeket fed le, amelyek egymásra csupán abban hasonlítanak, hogy információkat képesek adni és kapni vezetékes és vezetékmentes hálózatokon át, az IP-t használva az interneten keresztül. Két fő alkalmazási köre a konzumer (a „csatlakoztatott otthonok” és „viselhető készülékek” révén), amelynél az olcsó ár és a kis fogyasztás a fő követelmény. A másik fő célterület az ipari (nevezhetjük inkább így: professzionális) alkalmazásoké, amely az egészséggondozás, a mezőgazdaság, a szállítás, az energiagazdálkodás, az „okosautók” és „okosvárosok”, illetve általában az ipari termelés témáját öleli fel. Itt a biztonság, a megbízhatóság és a speciális funkciók a követelmények legfontosabbjai. Általános cél a természetes és mesterséges környezetünkből szerezhető információk mind jobb kihasználása (az adatokat gyakran nem is konkrét célra vagy „megrendelésre”, hanem egy sokak által elérhető, „bányászható” adatbázis töltésére használva, amely Big Data”-ként tetszés szerinti szempontok szerint újraelemezhető). A másik általános cél az energiahatékonyság javítása. Az IoT egyben hatalmas mennyiségi ugrást is okoz a rendszerekben. Míg a XX. század utolsó évtizedében a fix internetcsatlakozás volt a jellemző, és egymilliárdnál kevesebb eszköz csatlakozott a hálóra, a mobilinternet megjelenésével 2000-2009 között a csatlakoztatott eszközök száma megduplázódott. A jelen évtized 50 milliárd készülék megjelenésével számol, amelyben – bár abszolút értékben növekszik – egyre kisebb arányt képvisel az ember–gép kapcsolatra is alkalmas számítógép vagy okostelefon, a döntő többség valamilyen kommunikációra képes „végkészülék”: szenzor vagy beavatkozó. Az IoT fő piacai az okos-otthonok, a viselhető készülékek, az okosvárosok, az ipari automatizálás, az okos energiaszolgáltatás, nem utolsósorban az „okosautók”.

1. ábra

Az IoT által használt RF-technológiák áttekintése

Itt csupán két önmagáért beszélő ábrát muta-tunk be: az 1. ábra az „IoT-univerzum” szerkezetét ábrázolja erősen leegyszerűsítve. A 2. ábra az alkalmazott vezetékmentes RF-technológiai választékot mutatja be a hatótávolságuk szerint rendezett formában.

2. ábra

IoT-vizsgálóplatformok

Aki IoT-vel kíván foglalkozni, rendelkeznie kell egy olyan – a kitűzött feladat jellegéhez, terjedelméhez, komplexitásához méretezett mérőeszközparkkal, amely a Keysight-műszerek különböző kombinációiból összeállítható.
A „gazdaságos platform egyszerű feladatokhoz” (készülékszintű RF-teszt, kis költségvetésű K+F-folyamat, gyártás és javítás) összeállítás állhat egy 3 GHz-es jelgenerátorból (pl. N9310A) és egy alapfunkciós spektrumanalizátorból (pl. N9320B, 3 GHz-es vagy N9322C, 7 GHz-es, ezt kifejezetten az IoT-igényekhez tervezték, és öt fontos funkciót egyesít magában, 3. ábra).

3. ábra

Ha ezenkívül a jelek analízisére és az EMI-követelmények teljesítésének előzetes vizsgálatára is szükségünk van, az N9310A jelgenerátor kiegészíthető egy 33522B függvénygenerátorral, amely a PC-n futó 33503A BenchLink Waveform Builder Pro szoftverrel vezérelhető. Ez az összeállítás már tetszőleges adattal modulált ASK/FSK/GFSK/ZigBee RF-jelet képes előállítani, de további modulációs módszereket és protokollokat is tesztelhetünk. Igényesebb jelanalízis végezhető például az N9000A CXA X-sorozatú jelanalizátorral, amely akár 26,5 GHz-ig is használható. EMI-elővizsgálatok is végezhetők ezzel a műszer-összeállítással, de ehhez ki kell egészíteni az N9311X-100 közeli sugárzásmérő szondakészlettel, amely az EMI-források nagy geometriai felbontású, „alkatrész-szintű” azonosítását teszi lehetővé.
Az aránylag kis költségvetésű alap-összeállításokon kívül számos nagy teljesítőképességű mérőműszer áll még rendelkezésre, például a Keysight X-sorozatú jelanalizátorainak CXA-tól UXA-ig tartó öt modellje, vagy a moduláris PXI-e platformba illeszkedő vektor-adóvevő és jelanalizátor, ám ezek mélyebb részleteit itt nem áll módunkban kifejteni.

Vezetékmentes energiaátvitel

Az IoT egyik kulcskérdése a készülékek energiaellátása. Ennek egyik alternatívája a vezetékmentes töltés, amely például víz- és pormentes tokba zárt, vagy nehezen hozzáférhető helyre beépített készülékeknél jelenthet reális, kényelmes megoldást. Járművekbe, bútorokba építve megváltoztathatja például a mobil eszközök használati szokásait. Ezeknek az előnyöknek azonban ára van: a gyenge (40…70%-os) hatásfok, a kábelesnél lassabb töltés, a készülék és az akkumulátor felmelegedése, és hogy töltési idő alatt a készülék nem használható. Mindannyian emlékszünk, milyen nagy előny jelentett a mobil eszközök mikro-USB-csatlakozós töltésének bevezetése; hasonlóképpen elvárás, hogy a vezetékmentes töltőeszközök is elérjék a készülék- és töltőfüggetlen használhatóság szintjét. Ma még verseng néhány szabvány. Az egyik favorit a Qi-szabvány (a Wireless Power Consortium – WPC) megoldása: csak a mágneses csatolást, hatásfokjavítóként a mágneses rezonanciát, a kétirányú kommunikáció megvalósításához pedig a töltött készülék terhelőáram-modulációját alkalmazva. Az e területen végezhető mérések közt elsődleges az energiaátvitel hatásfokának mérése az energiaadó modul DC-bemenetétől az energia-vevő egység DC-kimenetéig. Lényegesek továbbá a csatolt tekercsek, a teljesítményerősítő vektorparaméterei, az illesztőáramkörök és a DC/DC-konverter elemek önálló mérései is. A probléma megoldásában hasznos, és az IoT-készülékek tervezőinek munkáját jelentősen támogató Keysight-megoldások között említjük a vektor-hálózatanalizátorokat (S-paraméter- és impedanciamérések), a WPT analízis-szoftvert és az E5072A/E5061B/E5063A vektor-hálózatanalizátorokat (VNA-kat).

Kis teleptáplálású készülékek energiafogyasztásának valós elemzése

Az IoT-készülékek tervezői előtt álló legnagyobb kihívások egyike, hogy minimális energiafelhasználással kell a végkészülékeket esetleg éveken, évtizedeken át karbantartás (tehát többek között elemcsere) nélkül üzemeltetni. A korszerű mikrovezérlők sok kifinomult energiastratégiával üzemeltethetők, és az okosan megválasztott működési „menetrend” (rövid aktív ciklusok közt hosszú „alvó” periódusokkal) is sokat jelenthet az elemtakarékos működés megvalósításában. Ezt azonban szinte csak „élő” működési ciklusok során lehet érdemben vizsgálni, ami viszont komoly méréstechnikai problémákba ütközik. A vezérlő MCU „mélyalvó” üzemmódjában az áramfelvétel ugyanis ma már a nA nagyságrendbe esik, a vezetékmentes adó bekapcsolásakor viszont akár 6-7 nagyságrenddel, tíz mA körüli értékre is ugorhat. A 6 nagyságrendes dinamika önmagában is elég gondot okoz, mert csak a 6 digitnél nagyobb felbontású mérőeszközökkel mutatható ki.
Az áramváltozások ugyanakkor rendkívül gyorsak is, több nagyságrendnyi terhelésváltozás (4. ábra) történhet olyan rövid impulzusokban, ami egy alacsonyabb időfelbontású műszer számára akár teljesen észrevétlen is maradhat. És mivel az ilyen eszközök működési „menetrendje” nagyon hosszú ciklusidejű, vagy az „eseményvezérelt” jelleg miatt lényegében aperiodikus, nagyon hosszú vizsgálati időt kell megvalósítani.

4. ábra

Felületes szemlélő úgy gondolhatná, hogy ezeket a méréseket egy átlagos laboratórium általános célú műszereivel is kielégítően el lehet végezni. A legkézenfekvőbb ötletnek a digitális oszcil-loszkóp kínálkozik, a bemenetén áramérzékelő söntszondával kiegészítve. Ez valóban egyszerű és olcsó, a szükséges sávszélessége is „megvan bőven”, de az oszcilloszkóp felbontása alacsony (a legtöbb típusnál csak 8 bit, azaz a teljes amplitúdótartománynak kb. 0,25%-a), ami semmit sem tud kezdeni a mérendő áram nagy (legalább 1:10000) dinamikájával. Az oszcilloszkóp és a szonda is kompenzációt igénylő ofszetproblémákat okoz, és végül csak néhány rövid tranziens fér el a memóriájában.
A Keysight ide vonatkozó termékei közt említendő az N2820A és az N2821A árammérő szonda, amelyek számos részletproblémára megoldást kínálnak, de a vezérlő MCU alvó üzemmódjának árama még ezeknek is túl alacsony.
A digitalizáló opcióval ellátott multiméterek egyszerűek és aránylag olcsók, nagy felbontásuknak köszönhetően nagy a dinamikatartományuk, és bizonyos mennyiségű adat gyűjtésére is alkalmasak. Automatikus méréshatárváltásuk azonban a bemenő jel speciális tulajdonságai következtében nem használható ki, sávszélességük rendkívül alacsony (kb. 10 kHz), és a méréshez további eszközök is szükségesek.

5. ábra

A lehetséges tévutakból vett szemelvények arra utalnak, hogy – a látszólag egyszerű mérési feladat ellenére – speciális tulajdonságokkal rendelkező célműszerekkel érhető el csak jó eredmény. Ezek vásárlásától – mert túl speciálisnak gondolják – sokan óvakodnak, mivel azonban ez a kérdés az IoT-alkalmazások visszatérő problémája, és az ilyen fejlesztések a jövőben egyre gyakoribbá válnak, érdemes megfontolni használatukat. Javasoljuk az olvasónak az N6781A és az N6785A típusú, nagyjából 28 bites dinamikájú, gyos méréshatárváltású (5. ábra) műszerek megismerését, amelyekkel – és a hozzájuk alkalmazható szoftver segítségével – részletes energiafogyasztási analízis végezhető (6. ábra), vagy az idődiagram részleteihez a CX3300A áramhullámforma-analizátor (7. ábra) tanulmányozását.

6. ábra

7. ábra

Sajnos a teljes előadás minden részletét e helyen nem áll módunkban ismertetni, pedig az IoT-fejlesztések számának növekedtével egyre több fejlesztő szembesül hasonló méréstechnikai problémákkal. A Keysight-megoldásokról az olvasó a H TEST Hungary munkatársaitól kaphat bővebb felvilágosítást.

Tóth Ferenc

Még több H TEST

Címkék: HTEST | H TEST | IoT | Internet of Things