E-IoT alkalmazás – 1. rész
Hagyományos eszközök „okosítása”
A Magyar Elektronika hasábjain most indított legfrissebb cikksorozatunkban a korábban ismertetett IoT koncepcióra, az E-IoT platformra épülő konkrét ipari megoldásokkal foglalkozunk. Ahogy arról korábban beszámoltunk az E-IoT hardvercsalád egyes elemei, mint kiértékelő készletek kerültek forgalomba, és mint ilyenek természetesen nem késztermékek, hanem a koncepció megértéséhez, alkalmazásához, a cég által kínált alkatrészek kipróbálásához nyújtanak segítséget.
Hosszú távon természetesen az Endrich célja az, hogy ezen eszközök, mint alap IoT funkciókat kínáló egylapos számítógépek és a hozzájuk egyedileg fejlesztett vevőspecifikus funkciókkal felvértezett perifériák együttesen olyan modellt adjanak a fejlesztők kezébe, amivel egyedi IoT végtermékek fejleszthetők, továbbá azok összes funkciója kipróbálható legyen és a beágyazott szoftver akár végleges formában is elkészülhessen, azaz egy lépésre meg tudjuk közelíteni a kész eredményt. A modell megalkotása, kipróbálása, a funkciók letisztázása, a szoftver megírása után már csak a miniatürizálás, a végleges mechanikai dizájn kialakítása és a tanúsítás marad hátra, ezzel biztosítva elegendő időt a tesztelésre és a tervezési iterációk számának lecsökkentésére. A cikksorozat többi részében ilyen végtermékötleteket fogunk bemutatni. Van azonban egy közbülső felhasználási területe is az E-IoT kiértékelő készleteknek, hiszen alkalmasak arra is, hogy hagyományos készülékeket felruházzunk velük olyan képességekkel, amelyek lehetővé teszik azok hálózatos működését és kommunikációját. Elsőként az Endrich GmbH budapesti innovációs központjában tervezett és Magyarországon gyártott szenzoregységcsomagot mutatjuk be, amely hagyományos eszközök „okos” eszközzé alakításában és így az Ipar 4.0 elvárásainak való maximális megfelelésben segíti a felhasználókat. A csomag érzékelési, vezérlési és kommunikációs, azaz IoT képességekkel ruházza fel a berendezést, és az internethez kapcsolva elsősorban a megelőző karbantartást segíti a távfelügyelet és telemetria hozzáadásával. Példaként egy az Endrich cégcsoport tagvállalata, az euroLighting GmbH által gyártott UVC légszűrő-berendezésbe integrált szenzor- és kommunikációs készletet mutatunk be.
UVC légtisztító berendezés-telemetria
A COVID-19 járvány és a lakosság egyre növekvő egészségtudatosságra való igénye egy sor új berendezés létrejöttét indukálta. Megjelentek a különböző légminőség-figyelő és -javító berendezések, amelyek azonban döntően önálló (helyi) üzemben és nem hálózatba kapcsolt okoskészülékként kerülnek forgalomba. Ilyenek a levegő CO, CO2, pollen és szálló por koncentrációjának figyelésére alkalmazott, esetenként figyelmeztető hangot vagy riasztást adó szenzorok és elsősorban a koronavírus-járvány hatására nagyszámban alkalmazott, jellemzően UVC sugarakkal és mechanikus (HEPA) szűrőkkel működő légtisztító berendezések. Ez utóbbi hagyományos készülékek azonban a 7/24 órás folyamatos üzemben töltött ideje és esetenként erősen szennyezett levegőjű környezetben való használata rendszeres karbantartás nélkül a készülékek élettartamának erős csökkenéséhez vezetnek, emellett csak akkor van értelme használatuknak, és csak akkor lehetnek piacképesek, ha a folyamatos üzembiztonságot és hatékonyságot a gyártó garantálni képes. Ezt felelősséggel csak folyamatos szervizelés és ellenőrzés útján lehet megtenni, ami a forgalmazók és a gyártók számára a gazdaságos értékesíthetőséget megkérdőjelező költséggel jár. Ehhez társul az a jogos vevői elvárás, hogy a készülék üzemzavarait a lehető legrövidebb időn belül el kell hárítani, hiszen a vírus percek, órák alatt is újra megjelenhet a levegőben és fertőzhet. Ennek egyedüli módja egy olyan, a berendezés elektronikájától függetlenített telemetria integrálása a hagyományos készülékbe, amely képes azon funkciókat figyelni, amelyek az alapvető működést befolyásolják. Ilyenek az UV forrás intenzitásának folyamatos monitorozását végző szenzorok, a HEPA filterek tömítettségére utaló, a készüléken belüli légáramlási sebesség csökkenését figyelő érzékelők, valamint a ventilátor forgási sebességét, a hőviszonyokat, az esetleges hibára utaló zajokat és rezgéseket figyelő szenzorok. Amennyiben ezeket a jeleket folyamatosan rögzíti a gép, és képessé tehető napi rendszerességgel ezek felhőalapú adatbázisba való juttatására, gazdaságos és megbízható, az ingatlan helyi hálózati kiépítettségét nem igényli, vezetékmentes kommunikációs csatornával működik, akkor az akár több ezer működő készülékről tömegesen érkező adatok is gyorsan és költséghatékonyan feldolgozhatók. Az alkalmazott mesterségesintelligencia-eljárások pedig képesek meghatározni a legoptimálisabb szervizútvonalat, időbeosztást, ezáltal minimalizálva a költségeket. Mivel az elhasználódásból eredő problémákra utaló jelek (UV-C intenzitás csökkenése, HEPA szűrő eltömődése) hetekkel a bekövetkezés előtt észlelhetők, van idő a cserealkatrészek beszerzésére, a javításra való felkészülésre, így ideális esetben nullára redukálódik a készülékek üzemen kívül töltött ideje és a szerviztechnikusi létszám minimális szinten tartható.
1. ábra Hagyományos légtisztító okosítása
Az általunk alkotott telemetriai egység a legkorszerűbb szenzor- és mikrokontroller-technológiákat (ARM, RISC-V) és kis fogyasztású, olcsó GSM modemekkel megvalósított alacsony SIM-kártya-költségekkel (10 EUR / 10 év) üzemeltethető keskenysávú IoT (NB-IoT) kommunikációt vonultat fel, emellett alkalmas a felhasználók kényelmi funkciókkal való ellátására is. Ilyenek a légminőség (CO2, pollenkoncentráció, hőmérséklet, légnyomás, fényviszonyok stb.) monitorozása, amelyek megjelenítésére mobiltelefon-alkalmazás áll rendelkezésre. A tulajdonos ugyanazon a rendszeren keresztül kap képet az otthona pillanatnyi levegőminőségéről, amelyen közben a szervizhálózat betekintést nyer a légtisztító berendezés állapotába. Mindemellett a telemetriai egység elküldi az adatbázisba a készülék GPS pozícióját is, ami tovább segíti a karbantartás tervezését.
2. ábra A készülékkonstrukció és a szenzorok elhelyezése
A szenzoradatok gyűjtésének vezérléséért és a keskenysávú GSM kommunikációjáért (NB-IoT / LTE-M) az Endrich Smart-Board felel, ami a cég korábban a lap hasábjain bemutatott E-IoT koncepciójának egyik hardvereleme. A csökkentett utasításkészletű (RISC) mikrokontroller, az alkalmazott Fibocom MA510 LPWA modem mindegyike alacsony energiafogyasztású eszköz, amelyek támogatják a telemetriai egység a légtisztító saját elektronikájától teljesen független, akár elemes működtetését is.
3. ábra Az Endrich Smart Board
Természetesen az alkalmazott telemetriai egység nemcsak képező „okos” légtisztítóban használható, hanem bármely más hagyományos eszköz is hálózatba kapcsolható segítségével, legyen az bármilyen jármű, gép, adagoló, termékautomata vagy ipari hűtőszekrény.
4. ábra Az E-IoT Infrastruktúra felépítése
A rendszer jelentősége és innovációtartalma az alábbi területeken mutatkozik meg
1. Megelőző karbantartás: a hálózatba kötött készülékekről folyamatosan érkező, a működést monitorozó telemetriai adatokat adatbázisba szervezve mesterségesintelligencia-algoritmusok segítségével a megelőző karbantartás optimalizálása útján jelentősen növelhető az üzembiztonság és minimalizálható ennek költsége.
2. Telekommunikáció: nem szükséges az ingatlan hálózati infrastruktúrájának használata (közületek esetén ez nem is megengedett sokszor hálózatbiztonsági okokból), hiszen minden készülék önálló internethozzáféréssel rendelkezik. Ennek kiadása az alkalmazott LPWA (NB-IoT/LTE-M) technológia sajátosságai okán 10 évre nagyságrendileg 10 EUR (1 EUR/év) költséggel megoldható (szolgáltató: ONCE). A technológia a keskeny sávszélesség miatt egy GSM cellában akár többezer készülék egyidejű kommunikációjára ad lehetőséget, és a hardverköltségek is sokkal alacsonyabbak a hagyományos mobil hardvereknél megszokott árszintnél. Az alkalmazható adatkommunikációs protokoll lehet egyirányú (készülék → adatbázis) UDP, vagy kétirányú MQTT protokoll. Saját (E-IoT) vagy külső felhőszolgáltatókhoz, (AWS, AZURE) cloud-hoz való kapcsolódás egyaránt lehetséges.
3. Az alkalmazott ARM és RISC-V mikrokontroller-architektúrák a kis fogyasztás és a hatékony működtetés zálogai, és korszerű vezérléstechnológiai megoldásokat jelentenek az érzékelők adatainak gyűjtésére, és azok felhőalapú adatbázisba juttatására.
4. Az alkalmazott korszerű szenzorok feladatspecifikusan választhatók, variálhatók.
5. Felhasználói területen: kényelmi funkciók a felhasználói élmény növelésére, mint légminőség-monitorozás, hőmérséklet- és fényviszony-monitorozás, zajszintmérés. Mobiltelefonos applikáció az adatvizualizáció megvalósítására.
5. ábra Az „okos”-légtisztító SmartPhone App-ja
Videofelvétel a Hungexpo Grand Prix 2020 termékdíjas E-IoT
platformról: https://www.youtube.com/watch?v=OcH8h1u43Egl
Szerző: Kiss Zoltán okl. villamosmérnök,
Export Igazgató, az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
budapesti fejlesztőközpontjának vezetője
Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1188 Budapest, Kölcsey u. 102/A
Tel.: + 36 1 297 4191
E-mail:
