Az Endrich IoT-ökoszisztéma – hardverfejlesztések

Az alkatrészgyártók érdekesebbnél érdekesebb és egyre olcsóbb szenzormegoldásaikkal fizikai jellemzők széles skálájának érzékelésére nyújtanak megoldást. A klasszikus érzékelés, mint a környezeti tényezők (hőmérséklet, légnyomás, páratartalom) mérése, a mozgásérzékelés, a világításvezérléshez használt fényérzékelés és a betörésvédelem-szenzorok mellett megjelennek olyan korábban futurisztikusnak tűnő feladatokra szánt érzékelők, mint például a kommunális hulladékgyűjtők telítettségének függvényében megvalósuló szemétszállítás, a saját feltöltöttségét figyelni képes áruházi polc vezérelte önműködő árurendelés vagy az önvezető autó rendkívül összetett rendszere.

Napjaink egyik legfontosabb mérnöki kihívása, hogy a korábbi időszakban minket körülvevő érzékelők számát sokszorosan meghaladó eszközök által küldött adatokat gyűjteni, gazdaságosan továbbítani és tárolni tudjuk. Ezt megkönnyíti az adattárolás árának drasztikus csökkenése és az a tény, hogy sok szakember szerint az adatvesztés kockázata vagy az adatok elpazarlásából származó későbbi versenyhátrány ma többe kerülhet, mint az adatok tárolása még akkor is, ha jelenleg nem vagyunk képesek ezek feldolgozására, vagy még nincs szükségünk rá.
Ennek megfelelően a „mesterséges intelligencia” működése is átalakuláson megy át, ma már nincs szükség tudásalapú, előre meghatározott szabályrendszereket programozni az MI mikroprocesszoraiba, elegendő az adatokból nyert mintázatok statisztikai feldolgozásán alapuló döntéseket hozni. Jó példa lehet erre egy intelligens hidegüdítő automata, ami maga képes előre jelezni a szükséges feltöltöttségi szintet. Szabályrendszeren alapuló MI esetén a gyártónak be kellene programozni a felhasználás helyén adott időszakban várható napi középhőmérséklet számítására szolgáló algoritmust, mert nem mindegy, hogy az automata a Dél-Afrikai Köztársaságban vagy Magyarországon üzemel augusztusban, hiszen az eltérő évszakok miatt a várható fogyások nem egyeznek meg. Mennyivel egyszerűbb egy külső hőmérsékletszenzor, egy ajtónyitás szenzor és egy GPS modul beépítésével hosszú időn keresztül adatot gyűjteni, és csak ezekből az adatokból kinyerhető jellemző minták alapján meghatározni a várható csúcsfogyasztást az automata aktuális telepítési helyén. Az MI nem kell, hogy földrajztanári tudással rendelkezzen, mindössze azt kell tudnia, hogy az adott helyről érkező információk alapján mi várható.
Hasonló módon működik a kissé futurisztikus, bár nagyon is fontos terület, a prediktív karbantartás, ahol érzékelők megfigyelései és a bekövetkező különféle hibák összevetéséből kinyerhető minták időben jelezhetnek egyes karbantartási feladatokat, figyelembe véve az előrejelzésnél a cserélendő alkatrész szállítási idejét is. Ezzel a kopó-fogyó anyagok raktárkészletértékeit lehet optimális szinten tartani, ami sokkal gazdaságosabb működést tesz lehetővé. Belátható, hogy az elkövetkező évtized feladata a szenzorok adataiból felépülő, az emberiség tulajdonát képező „BIG DATA” analízise, és az ebből származtatott következtetések levonása és beprogramozása az MI alapú rendszerekbe.
A mesterséges intelligencia adatokat igényel, amelyeket a szenzorok hálózata szolgáltat, és ezt a komplett rendszert kiszolgáló infrastruktúra az IoT, a dolgok Internete. Az Endrich GmbH Európa egyik vezető elektronikai alkatrész-disztribútora elkötelezett az IoT-fejlesztések támogatásában, elsősorban alkatrész és támogatás oldalról kíván részt venni a fejlesztésekben. A szakfolyóirat hasábjain már korábban ismertetett Endrich IoT-alapú bemutatórendszer tartalmaz minden olyan elemet, ami ezen a területen szükséges.

Az Endrich IoT ökoszisztéma

A cég szenzorkínálata több mint 40 év munkájával alakult azzá a széleskörűen elismert portfólióvá, ami magában foglalja az optikai szenzoroktól, a mágneses térérzékelés, az akusztikai, ultrahangos és radarszenzorok területén át, a hőmérsékletmérésre, gázérzékelésre és jelenlétérzékelésre alkalmas eszközöket is.
A mikrovezérlőktől az egylapos számítógépeken keresztül a panel PC-k és okoskijelzők kínálata biztosítja a vezérlést az IoT rendszer számára, és ezek széles körét kínálja az Endrich partnereinek.
A vezeték nélküli kommunikációs modulok kínálata magában foglalja a WiFi, Thread, BlueTooth LPLAN és a 2G/3G/4G/5G GSM és az NB-IoT & LTE-M LPWAN modulokat, a hozzájuk tartozó antennákkal és kiegészítőkkel együtt.
A kijelzők az egyszerű LCD üvegektől a pmOLED és E-papír megoldásokon, a PCap érintésvezérlővel ellátott TFT modulokon keresztül egészen az okoskijelzőkig terjednek, amelyek közül a csúcsmodell a világ legnagyobb érintőképernyője címmel is dicsekedhet.

Az Endrich IoT-kijelzője jelenleg a világ legnagyobb méretű érintőképernyős számítógépe

A felhőalapú adatbázist a cég ingyen bocsátja az IoT-fejlesztők rendelkezésére, a rendszer részleteit egyik korábbi cikkünkben részletesen bemutattuk.
A vevők támogatására emellett a budapesti kirendeltség a StarsBridge Kft. közreműködésével kifejlesztett egy IoT eszközcsaládot, ami alkalmas a fent leírt rendszer minden adatgyűjtő, telekommunikációs és vezérlési feladatának az ellátására.
A hardver és a szoftver is nyílt forráskódú, szerződött partnereink számára hozzáférhető. Az alkalmazott kulcsalkatrészek a képviselt beszállítók által forgalmazott alkatrészek – ha valaki ezeket szeretné használni, az Endrich konkrét felhasználási példával, áramköri rajzzal, beágyazott mintaszoftverrel, a szenzorok illesztésének módjával tudja segíteni a gyors termékfejlesztést. Ezenfelül kidolgoztunk egy, a szenzorok által mért értékek grafikus bemutatására szolgáló, bizonyos mértékig skálázható internetalapú grafikus felületet, ami az Endrich Felhőalapú Adatbázisára (Endrich Cloud Database – továbbiakban ECD) épülve az oda beérkező adatok vizuális megjelenítéséről gondoskodik az adott IoT-eszköz számára.

Az Endrich IoT-áramkörök

A család egy alap IoT-kártyából és a hozzá kapcsolható külső miniszenzor áramköri lapkákból áll, amelyek I²C, SPI vagy az Endrich által jegyzett, nagy távolság áthidalására képes EI²C^TM interfészen keresztül kapcsolódnak az IoT-alaplaphoz. Az eszközök kiértékelő szettként is megvásárolhatók, de elsődlegesen arra hivatottak, hogy az alkalmazott alkatrészek működését, illesztését és programozását demonstrálni tudjuk. A koncepció kiterjesztéséhez az Endrich Európa szerte a magyarországi számítástechnikai partnerén, az eNet Kft.-n keresztül igyekszik egyedi megoldást kínálni egy vezérlőtermi szoftver kialakításával, ahol a szenzoradatok azok fizikai elhelyezkedését grafikusan ábrázolva az értékek mérési helyén jelennek meg, és a beavatkozó szervek is feltüntetésre kerülnek.

Az Endrich moduláris IoT-áramkörcsalád különböző szintű szolgáltatásai

Az általános IoT-eszközök három alapfeladatát, az érzékelést, az adatgyűjtés és az adattovábbítás vezérlését, valamint magát az adatkommunikációt az Endrich IoT-kártyacsalád modulárisan együttműködő elemei egyenként, vagy egymással kombinálva kínálják.
A legegyszerűbb építőelem a különböző szenzorokat felvonultató külső szenzorlap, amely valamilyen szabványos interfészen (I²C, SPI) keresztül kapcsolódik a felhasználó által preferált mikrokontrollerhez.

Az Endrich „2 In 1” ARDUINO kompatibilis szenzor és kommunikációs pajzsa

Ezzel az eszközzel az Endrich saját szenzorkínálatát igyekszik támogatni. Tetszőleges egylapos számítógéphez (Arduino, Raspberry Pi, ARM, RISC-V stb.) illeszthető, de a későbbiekben részletesen bemutatásra kerülő továbbfejlesztett változat az Endrich IoT-család magasabb szinten integrált tagjaihoz is kapcsolható. Elkészült több olyan kártyaváltozat is, ami a három alapfunkcióból kettővel, az érzékeléssel és a kommunikáció képességével képes felruházni egy szabványos kialakítású miniszámítógépet, az Arduino Leonardo kialakítással kompatibilis eszközöket. Nemcsak az Arduino ezen platformja rendelkezik kompatibilis kialakítással, hanem néhány mikrokontroller-gyártó, például a GigaDevice ARM M3 és RISC-V kiértékelő paneljei is azzal a szabványos csatlakozósorral rendelkeznek, amely szenzor és kommunikációs pajzsként képes fogadni az Endrich ezen „2 In 1” megoldását. A panel több változatban is elérhető, ezek között az egyetlen különbség az alkalmazott GSM-modem szolgáltatási skálája.
A telepes táplálású IoT-eszközök számára a FIBOCOM N510 modulja biztosítja az NB-IoT elvárásai szerinti minimális fogyasztást és kedvező árfekvést. Ahol az NB-IoT-hálózat elérhetősége kérdéses, a FIBOCOM MA510 modemje ad megoldást, amely egyszerre támogatja az NB-IoT / LTE-M / 2G sztenderdeket.
Az alkalmazott szenzorok a Micronas Hall-szenzora (mágneses érzékelésre), az Everlight ALS szenzora (a látható fény érzékelésére), a Tateyama és a Semitec termisztorai (hőmérsékletmérésre), valamint a SENSOLUTE rezgésszenzora. Egy a lapra integrált I²C digitális szenzor a légnyomás nagy pontosságú mérésével beltéren is használható, deciméteres felbontású magasságmérést tesz lehetővé, és az MA510 modemmel szerelt változat felruházza a pajzsot a globális helymeghatározás képességével is.

Az Endrich „2 In 1” LONGAN NANO kompatibilis szenzor és kommunikációs pajzsa

Egy ebből a megoldásból iterált új családtag a szintén a fenti érzékelőkkel és kommunikációs képességekkel ellátott, azonban a kereskedelemben kapható és egyre népszerűbb Longan NANO mikroszámítógéphez illeszthető, illetve azt fogadni képes alaplap.
A Longan Nano az Endrich által is forgalmazott és az IoT koncepció alap-mikrovezérlőjeként használt GigaDevice RISC-V kontrollere köré épül, ami mellé egy mini SPI TFT kijelző is kapható néhány dolláros árért.

 
A „3 az egyben” IoT-kártya

Természetesen a kínálatból nem hiányozhat a „zászlóshajó” sem, az IoT-képességek teljes skáláját felvonultató független IoT csomópont.
Ez a kártya egy adatgyűjtő-továbbító és vezérlőkártya is egyben, amely tartalmazza a szenzorokat, az adatgyűjtés „karmesterét”, a mikrokontrollert, valamint a kommunikációs csatornát biztosító GSM-modemet is. A Gigadevice RISC-V processzor folyamatosan mintavételezi mind a fedélzeti szenzorokat, mind az egyes külső szenzorkártyák felől érkező adatokat. Elkészíti az Endrich Cloud Database számára értelmezhető JSON datagramot és automatikusan felveszi a kapcsolatot a szerverrel. Képes a keskenysávú IoT-hálózaton (CAT-NB2), az LTE-M (CAT-M1) hálózaton, vagy ezek hiányában akár a GPRS (2G) hálózaton is kommunikálni.

Az Endrich „3 In 1” mikrovezérlő és kommunikációs kártya

Az Endrich „3 In 1” szenzor kártya

Minden egyes kártya egyedi azonosítóval van ellátva, és a szenzorok adataihoz tartozó grafikus megjelenítést egy QR kódon keresztül az Interneten elérhető saját felület biztosítja. Az applikációban a GPS adatokra kattintva a Google Maps szolgáltatásban betöltődik a szenzorkártya pillanatnyi helye.

Minden kártya saját vizuális interfésszel rendelkezik

A panelhez külső szenzoreszközök is csatlakoztathatók, akár I²C, akár SPI interfészen keresztül. Az SPI csatlakozás felhasználható kis méretű TFT képernyő illesztésére is. Amennyiben az Endrich IoT-családba tartozó valamelyik kártya mint külső adatgyűjtő használatára van szükség, akkor lehetőség van a nagy távolság (max. 50 m) áthidalására alkalmas EI²C^TM vonalon keresztül megtenni ezt. Ez a kapcsolódás az IoT-lapon lévő I²C szenzoroktól való különválasztás érdekében a mikrokontroller egy másik I²C buszát használja. Lehetőség nyílik ezáltal nemcsak az eszköz közvetlen közelében, de attól viszonylag nagy távolságban is környezeti paramétereket mérni. A kártya rendelkezik 3 külső GPIO kimenettel is, amelyek 5 V-os TTL szinttel vezérelhető relémodulok kapcsolására használhatók, és a megfelelő védelemmel is el vannak látva. Ennek köszönhetően a szenzorok által mért adatok alapján közvetlen beavatkozásra is van lehetőség, mint például hőmérsékletemelkedés esetén nagy teljesítményű ventilátor indítása, sötétség leszálltakor világítás kapcsolása.
Az áramköri lapon a GSM-modem AT parancsvezérlésre használható UART bemenete egy mini USB csatlakozón keresztül ki van vezetve, ezért ez a kártya használható a Fibocom próbapanel kiváltására is, ezen a porton keresztül PC-hez kapcsolva a GSM modem külön is működtethető. Hasonlóan a mikrokontroller „in-circuit” programozó UART bemenete is kivezetésre került, és egy külső GD-LINK eszköz használatával ugyancsak kezünkben van egy MCU próbapanel.

A szenzor-adatgyűjtő kártya 

Azon partnereink számára, akiket csak az Endrich-szenzor portfóliója érdekel, és sem saját kedvenc mikrokontrollerüket, sem kommunikációs eszközeiket nem kívánják lecserélni, kidolgoztunk egy sor olyan megoldást, ami minden eszközhöz illeszkedik.

Az Endrich külső szenzorkártyája

Létrehoztunk egy külső szenzorkártya-koncepciót, ami I²C vagy SPI interfészen keresztül kapcsolódik a vevői áramkörhöz. Természetesen ugyanazok a szenzorok kaptak helyet ezeken a kis kártyákon is, mint a „nagytestvéreken”, de sem mikrovezérlő, sem kommunikációs eszköz nem áll rendelkezésre. A kártya csatlakoztatható az Endrich IoT-alapkártyához is, ez esetben egy korábban már említett nagy távolságú speciális I²C eszközön keresztül akár 50 méter áthidalására is lehetőség van. Az Endrich koncepciója szerint a „3 In 1” kártya változatlanul tartása mellett egyedi igényekre alakított, választható szenzorokkal szerelt szenzor-adatgyűjtő kártyák rendelésére is lehetőség lesz.
Az analóg szenzorok illesztését itt a HOLTEK BH45B1225 I²C buszos analóg-digitál konvertere, míg az SPI kártyán a NJRC NJU9103 front-end modulja biztosítja.

Szerző: Kiss Zoltán – Export Igazgató, Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1191 Budapest, Corvin krt. 7-13.
Tel.: + 36 1 297 4191
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.endrich.com

még több Endrich Bauelemente