Az innováció és integráció növeli az eszközkövető rendszerek telepíthetőségét
Az IoT (Internet of Things – a dolgok internete) számos izgalmas lehetőséget tett elérhetővé az ellátási lánchoz kapcsolódó szolgáltatások számára a vagyontárgyak kezelésével kapcsolatosan. Ezek egyike az eszközök követésének lehetősége.
A szállítási műveletek során jellemzően csak azt lehetett tudni, hogy egy szállítmány elhagyta a gyárat, illetve hogy megérkezett a vevőhöz, a két végpont között viszont semmit, ami pedig kimondottan fontos lenne a nagy értékű és hőmérséklet-szenzitív áruk, például vakcinák esetében. Hasonlóképpen kiemelt fontosságú lehet annak ismerete, hogy hol találhatók az adott pillanatban egyes nagy tőkeértékű berendezések az üzemen belül. Jelen írásunkban azt járjuk körbe, milyen technikai kihívások állnak a vezeték nélküli, mobilhálózat-alapú nyomkövető eszközök fejlesztői előtt, és milyen akadályok korlátozhatják ezen eszközök telepítését.
A celluláris eszközkövetés különböző felhasználási lehetőségei
A dolgok internete (IoT) megjelenésével számos lehetőség nyílt meg a kompakt beágyazott eszközök használata előtt. Az IoT-érzékelők által gyűjtött adatok lehetővé tették az irányító- és elemzőrendszerek fejlődését az otthoni automatizációtól az ipari folyamatok megfigyeléséig. A vezeték nélküli kapcsolat használata a legtöbb felhasználási területen hamar elfogadott kommunikációs formává vált, ami az elemekről történő tápellátás mellett két tervezési szempontot is meghatároz bármely IoT- és IIoT- (ipari IoT) eszköz számára.
Megdöbbentő a kábelek jelentette kötöttségtől mentes, vezeték nélküli eszközök sokfélesége és egyre növekvő száma. Az IoT-eszközök egyre több formában jelennek meg otthonainkban, az intelligens hangszóróktól kezdve a fűtésvezérlésen és intelligens villanykapcsolókon keresztül egészen az ajtócsengőkig. Az IIoT-eszközök az ipar minden területén számos különböző paramétert mérnek, hőmérsékletet, páratartalmat, a tárolókban lévő folyadékok és szilárd anyagok szintjét, de még a motoron belül található csapágyak zajának hangjellemzőit is.
Ezekben az eszközökben energiatakarékossági megfontolásokból eleinte olyan kis hatótávolságú és alacsony fogyasztású vezeték nélküli protokollokat használtak, mint a Bluetooth és a Zigbee, azonban a nagy hatótávú és alacsony energiaigényű vezeték nélküli hálózatok (LPWAN) – mint például a keskeny sávú celluláris IoT (NB-IoT) – megjelenése számos új felhasználási területen tette lehetővé az IoT-eszközök alkalmazását.
Az eszközkövetés tervezési korlátai
Az LPWAN IoT-eszközök egyik lehetséges alkalmazási területe az eszközkövetés. Az eszközkövetés nagy értékű eszközök, például egy buldózer vagy értékes küldemények, például egy sürgős gyógyszerszállítmány helyzetének ismeretét képes biztosítani. A jellemzően egy GNSS-vevő által biztosított helyzeti információk mellett egyéb adatok, például az elemek állapota és hőmérséklete is továbbítható.
A szállítókonténerek mindenütt jelen vannak az áruszállításban. Egy IoT-alapú eszközkövető képes biztosítani a létfontosságú helyzeti és környezeti információkat a konténer útja során. A szállítókonténerek multimodálisak, így a gyártól a végcélig történő szállításuk többféle módon – kamionnal, vonattal, hajóval – történhet. Az út akár több heti felügyelet nélküli működést igényelhet, ezért az elemek hosszabb élettartama létfontosságú követelmény. Az érzékelőnek kompaktnak, robusztus kialakításúnak kell lennie, és képesnek a különböző, időnként megbízhatatlan és marginális mobilhálózatokon keresztül történő kommunikációra. Egy konténerszállító hajón, a szárazföldtől távol a konténerek eszközkövető berendezései nem képesek továbbítani a helyzetüket. Egy Ázsia és Európa közötti út átlagosan 40 napig tart, azonban manapság már a legtöbb konténerszállító hajó képes átjárót biztosítani a műholdas és a celluláris kommunikáció között, így a konténerek helyzete folyamatosan ismert maradhat.
Globálisan telepíthető eszközkövető
berendezések fejlesztése
Egy IoT-eszközkövető tervezésekor a beágyazott eszköz kialakításának meghatározó tényezői közé tartozik az energiafogyasztási profil, a kommunikációs protokoll, a helyzetérzékelés, a rendelkezésre álló számítási kapacitás és a fizikai megjelenési forma. A tényezők nagy része összefügg egymással, például nagyobb elem használata hosszabb üzemidőt és aktív/alvó üzemmódot tesz lehetővé, azonban ez a nyomkövető eszköz méretének megnövelésével jár. Vegyük sorra ezeket a tényezőket és emeljünk ki néhány döntési szempontot, amit a fejlesztés során figyelembe kell venni.
Energiafogyasztás
Talán ez a legkritikusabb vizsgálandó tényező. Számos tényezőt kell figyelembe venni az elvárások kialakítása során. Általánosságban elmondhatjuk, hogy a nyomkövető váltakozva aktív és alvó üzemmódban működik. Az aktív szakaszban a helyzetadatok és a környezeti jellemzők összegyűjtése, feldolgozása és a nyomkövető platform felé történő továbbítása történik egy előre meghatározott ütemezés szerint. A nyomkövető alkalmazás esetenként ad-hoc lekérdezést is intézhet az eszköz felé. Ez a követelmény egyértelművé teszi, hogy az eszközkövető berendezés egyes funkcióinak egymástól függetlenül és eltérő szinten is működniük kell. Például a GNSS-vevő aktív működése nem szükséges az adóvevőegység adatkapcsolatának felépítéséhez.
Kommunikációs formák
Az eszköz rádióadó-vevőjének rendelkeznie kell az LTE-M és az NB-IoT által kínált alacsony fogyasztású LPWAN-képességgel az összes rendelkezésre álló regionális rádiófrekvencián. A SIM/eSIM-szolgáltatónak globális csatlakozási képességet kell biztosítania. A vezeték nélküli kommunikáció egyaránt szigorúan szabályozott a típusengedélyek követelményei és a mobilhálózatok üzemeltetői által is. Egy globális megfelelőségi tanúsítvánnyal rendelkező mobilhálózati modem használata jelentősen csökkenti egy diszkrét modem fejlesztési költségeit és időszükségletét.
Helyzetérzékelés
A helyzetmeghatározási adatok bármely elérhető GNSS-konstellációból történő vétele elengedhetetlen követelmény. A több GNSS-rendszert használni képes GNSS/GPS-vevők széles körben elérhetők. A használt modulnak ultraalacsony fogyasztási jellemzőkkel kell rendelkeznie.
Feldolgozóegység
Az eszközkövető működését egy beágyazott processzor vezérli, irányítja az aktív ciklusok ütemezés szerinti elindítását, illetve a saját és a csatlakoztatott modulok legalacsonyabb energiafogyasztású, mélyalvó módba történő állítását az energiatakarékosság érdekében. Az eszköz esetleges további (például a környezeti jellemzők vagy az elemek állapotának mérésére szolgáló) érzékelőinek vezérlését szintén a beágyazott alkalmazásprocesszor látja el. Fontos kiemelni, hogy a processzor aktív/alvó üzemmódjának energiafogyasztási jellemzője döntő fontosságú szempont.
Fizikai kialakítás
A beépített komponensek, szenzorok és az elemek mérete határozza meg az eszközkövető fizikai méretét. Az eszköz házának robusztusnak és (a szállítókonténer példájánál maradva) kívülről felszerelhetőnek kell lennie a mobilkapcsolat és a GNSS-vevő rálátásának biztosítása érdekében. A különálló vezeték nélküli egység és a GNSS-modul jellemzően kompakt kialakításuk ellenére jelentős helyet foglalnak el a nyomatott áramköri lapon. A fennmaradó helyet a processzor, az energiagazdálkodást végző IC (PMIC), az RF-frontend, az áramköri lapkán lévő antennák (ha vannak), egyéb érzékelők és passzív alkatrészek foglalják el. Egy magas integrációjú egylapkás rendszer (SoC vagy SiP) elérhetősége jelentősen csökkenthetné a nyomtatott áramköri lap méretét.
Egyéb megfontolások
Önmagában az eszközkövető berendezés megtervezése csupán egy részét teszi ki egy komplett eszköznyomkövető rendszernek. Szükség van egy rugalmas és megbízható, felhőalapú informatikai rendszerre, amely összefogja a felügyeleti funkciókat, az eszközök egyszerű hozzáadását, SIM-kiosztást és a távoli frissítések kezelését.
Fejlesztési források
A komponensek kiválasztásának folyamata során a beágyazott rendszert fejlesztő csapatnak a szoftverfejlesztő csomagok, az alkalmazási tapasztalatok és a kiértékelőpanelek elérhetőségét is vizsgálnia kell. Ezeknek az erőforrásoknak a rendelkezésre állása kétségkívül jelentősen segíti a prototípus-készítés és a gyártási folyamat megtervezésének felgyorsítását.
Bemutatkozik a Nordic nRF9160 eszközkövető rendszercsomag
A Nordic nRF9160 celluláris IoT rendszercsomag (System-in-package – SiP) egy magas integráltságú, alacsony fogyasztású eszköz. Egyetlen LGA-tokozású modulban tartalmaz egy 64 MHz-es ARM Cortex-M33 alkalmazásprocesszort, egy 23 dBm-es (jelátáviteli teljesítményű) többmódusú LTE-M és NB-IoT mobil modemet, RF-frontendet, egy támogatott GPS-vevőt és egy PMIC-egységet. Mindössze 10 mm × 16 mm × 1 mm-es mérete jóvoltából az nRF9160 SiP alkalmas globálisan telepített eszközkövető alkalmazásokhoz. Tanúsítvánnyal rendelkezik a legtöbb alkalmazott LTE-sávban, így használata a nemzetközileg elismert mobilhálózat-üzemeltetők (mobile network operators – MNO) által, valamint a regionális szabályozásoknak megfelelő típusengedélyek alapján elfogadott. Az 1. ábrán látható az nRF9160 működési vázlata.
1. ábra A Nordic Semiconductor nRF9160 celluláris IoT SiP működési vázlata egy egyszerű eszközkövetőben történő alkalmazása esetén (forrás: Nordic Semiconductor)
A SiP alacsony fogyasztási jellemzői – például a celluláris energiatakarékos mód (power saving mode – PSM) és a kiterjesztett nem folyamatos vételi mód (extended discontinuous reception – eDRX) – hosszabb alvási időt biztosítanak a SiP számára. Áramfelvétele energiatakarékos módban 2,7 µA, az LTE-M modemé 655,36 másodperces eDRX módban 6 µA. A Nordic által biztosított részletes alkalmazási leírás aprólékosan elmagyarázza ezeknek a 3GPP-funkcióknak a működését. 23 dBm jelerősségű és 180 kbps sebességű adatátvitel során a 3,7 VDC tápellátású eszköz maximális áramfelvétele 100 mA.
A Cortex-M33 processzor szolgáltatásai között megtalálható a biztonságos környezetet biztosító ARM TrustZone támogatása, valamint a titkosítási eljárások gyorsítását szolgáló ARM CryptoCell 310. A külső perifériák számára négy SPI/UART/TWI interfész és 32 GPIO áll rendelkezésre. PDM-, I2S-, PWM- és ADC-funkciók szintén elérhetők.
A Nordic nRF Cloud néven egy használatra kész felhőszolgáltatást biztosít a fejlesztés, a tesztelés és a telepítés felgyorsítása érdekében. Az nRF Cloud alapvető eszközöket biztosít a telepített eszközkövető nyomon követéséhez, a berendezés állapotának megfigyeléséhez és a távoli firmware-frissítések elvégzéséhez. Az nRF Cloud a fejlesztők számára lehetővé teszi az eszközkövető kezdeti tesztelését, de a szolgáltatás non-stop, vállalati szintű, üzleti alapú felhőplatformként is telepíthető.
Az nRF Cloud-on keresztül a támogatott GPS-szolgáltatásokhoz történő hozzáférés is lehetséges, köztük az A-GPS-hez, ahol az nRF9160 LTE-n keresztül képes segédállományok letöltésére, jelentősen javítva az első javításig eltelt időt. Szintén letölthető kéthétnyi előrejelzett GPS-pozícióadat (predicted GPS – P-GPS), amivel megelőzhető a segédadatok rendszeres lekérése. A-GPS vagy P-GPS használatával – lásd a 2. ábrát – nagy sebességgel továbbíthatók nagypontosságú helyzetadatok, csökkentve az energiafogyasztást.
2. ábra Segédállományok letöltése az nRF Cloud-on keresztül csökkenti az első javításig eltelt időt (forrás: Nordic Semiconductor)
Az egycellás (single-cell – SCELL) vagy többcellás (multi-cell – MCELL) eljárásokkal további energiamegtakarítás érhető el, amennyiben a helyzetmeghatározás nagy pontossága nem kiemelt fontosságú. Ez a megközelítés cellatornyok elhelyezkedésén alapul és elsősorban olyan helyzetekben használatos, amikor a GPS-vétel nem elérhető vagy marginális, például beltéren. Az MCELL-eljárással az alkalmazás akár 17 cellatorony adatait képes háromszögelni a GPS nélkül történő lehető legpontosabb helyzetmeghatározás érdekében.
Eszközkövetők fejlesztése egyszerűen
A celluláris eszközkövető berendezések fejlesztésének felgyorsítása érdekében a Nordic számos fontos erőforrást biztosít az nRF9160-hoz.
Az nRF9160 DK fejlesztőkészlet ideális platformot kínál eszközkövető berendezések tervezése során a kezdeti prototipizáláshoz. Képes fogadni egy nRF9160 SiP-et, az áramkör integrált antennákat tartalmaz, valamint egy nRF52840 egylapkás kontrollert, Bluetooth Low Energy és NFC-támogatással – lásd a 3. ábrát. További érzékelőprototípusok elkészítésének támogatása érdekében az áramkörön egy Arduino Uno R3 fejegység is megtalálható – a különböző pajzsok kiértékeléséhez. A fejlesztőkészlet tartalmaz továbbá egy SEGGER J-Link-programozó/hibakereső interfészt, felhasználói LED-eket és gombokat/kapcsolókat, valamint egy Nano/4FF SIM-kártya-foglalatot is.
3. ábra A Nordic nRF9160 DK fejlesztőkészlet (forrás: Nordic Semiconductor)
A Thingy:91 egy elemről működtetett IoT prototípus-készítő platform az eszközkövető alkalmazások terepen történő tesztelésére szolgáló, nagy integráltságú, kompakt kialakítású eszköz (lásd a 4. ábrát), ami egy nRF9160 SiP-et, és egy nRF52840 egylapkás kontrollert tartalmaz, és átfogó érzékelőkínálattal is rendelkezik. Környezeti érzékelők mérik a hőmérsékletet, a páratartalmat, a légnyomást és a levegőminőséget. Egyéb szenzorai között megtalálható egy szín- és fényérzékelő, valamint egy alacsony fogyasztású gyorsulásmérő és egy nagy g-értékű gyorsulásmérő is. Tápellátását egy 1440 mAh kapacitású, újratölthető Li-Po akkumulátor biztosítja.
4. ábra A Nordic Semiconductor Thingy:91 prototípuskészítő platformja (forrás: Nordic Semiconductor)
Az nRF9160 eszközkövető alkalmazás egy teljes körű eszközkövető megoldást kínál, amely nagyban épít az nRF9160 SiP energiatakarékos funkcióira. A nyílt, állapotgép-alapú beágyazott kód veszi a helyzet- és érzékelőadatokból származó mintákat, és továbbítja azokat az nRF Cloud, az Azure IoT Hub és az AWS IoT Core számára. Az alkalmazás egyaránt támogatja az nRF9160 DK és a Thingy:91 fejlesztőplatformokat.
A Power Profiler Kit II egy 200 nA-től 1 A-ig terjedő dinamikus áramtartománnyal rendelkező, beágyazott rendszerek energiafogyasztásának optimalizálására szolgáló igen értékes eszköz. Működhet 0,8 V és 5 V között konfigurálható áramforrásként vagy áramerősség-mérő üzemódban, amikor is a Kit csupán árrammérést végez. A mérés érzékenysége tartományfüggő, 100 nA és 1 mA között változik.
Ultraalacsony fogyasztású eszközkövetők tervezése
Az eszközök követése a logisztikai és az ellátási lánccal kapcsolatos szolgáltatásokat kínáló vállalkozások megfelelő működésének előfeltételévé vált. Megbízható eszközkövető berendezések fejlesztése során elengedhetetlen az alacsony fogyasztású működés és a globális telepíthetőség biztosítása. Ultraalacsony fogyasztási profiljával, nemzetközi MNO-tanúsítványaival és megfelelő típusengedélyeivel az nRF9160 SiP ideális választás a prototípusok tervezéséhez.
Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics
Mouser Electronics
Franchised Distributor
www.mouser.com
Kövessen bennünket Twitteren:
https://twitter.com/MouserElecEU
