E-IoT alkalmazás – 4. rész

Az E-IoT LPWA kommunikációs modul kiegészítése lokális Mesh-szenzorhálózattal

Cikksorozatunk jelen részében egy olyan előremutató technológiai frissítést szeretnénk bemutatni, amit felhasználói tapasztalatok alapján tartottunk szükségesnek integrálni az E-IoT koncepcióba. Eredeti elképzelésünk szerint olcsó szenzorok, kis mennyiségű gyűjtött adatát célszerű valamilyen LPWA technológia, esetünkben a keskenysávú IoT (NB-IoT) segítségével – átjárók (gateway-ek) mellőzésével – közvetlenül a felhőbe juttatni. Ennek előnye, hogy a független, telepes táplálású olcsó kommunikációs eszköz képes szigetüzemben önállóan, gyárilag előre konfiguráltan tenni a dolgát éveken keresztül, ezzel megkönnyítve az üzemeltetést. Nem kell az eszközt illeszteni egy meglévő vállalati hálózatba, nem veszélyeztetjük annak biztonságát, és jelentősen csökkennek az üzembehelyezési és az üzemeltetési költségek is. Erre kiváló példát mutatott az E-IoT egylapos integrált szenzorokkal ellátott számítógép, ami teljes értékű IoT végpontként képes a felmerülő igényeket kiszolgálni. Mi a helyzet azonban akkor, ha adott helyen egyszerre több külső szenzor adatát is be kell gyűjteni, azaz már nem gazdaságos minden mérőponton dedikált felhőkapcsolatot létesíteni, mégis függetlenek szeretnénk maradni a környezeti IT infrastruktúrától? Erre korai válaszunk az E-IoT SBC-hez kapható speciális nagy távolságot is áthidalni képes E-I²C interfésszel szerelt külső szenzorkártyák kifejlesztése volt, amelyek magát az E-IoT Board-ot használják átjáróként az Internet és a rajta keresztül elérhető ECDB felhőszolgáltatás felé az adatok adatbázisba juttatására. Hiába azonban a nagy, esetenként 30-40 méter vezetékkel való áthidalását is lehetővé tevő speciális E-I²C interfész alkalmazása az E-IoT SBC-n, ipari környezetben a vezetékezés problémás és fizikailag gyakorlatilag kivitelezhetetlen feladat. Ezért felmerült egy olyan szabad frekvenciasávban üzemeltetett lokális, lehetőleg licencmentes vezeték nélküli szabvány integrálása a koncepcióba, ami lehetővé teszi elemről működő mini vezetékmentes szenzorkártyák hozzákapcsolását ez E-IoT Boardhoz. Jelen cikkünkben ezt a megoldást szeretnénk bemutatni.

A cikksorozat korábbi részében bemutattuk az E-IoT koncepció zászlóshajóját az E-IoT SBC-t, amely önálló IoT végpontként teszi a dolgát, adatot gyűjt szenzorokkal, az adatgyűjtést egy mikrokontrollerrel vezérli, és felhőbe juttattja az eredményeket LPWA GSM modem segítségével, azaz érzékel, vezérel és kommunikál.

1. ábra Az Endrich IoT hardvercsalád alapja az IoT SBC, amely minden szükséges funkciót integrál

Az E-IoT Board SPI és E-I²C portokon képes külső eszközök soros adatainak fogadására. A koncepció részeként a korábbi írásainkban bemutatott külső szenzorkártyák álltak rendelkezésre olyan érzékelési feladatok elvégzésére, amire vagy nem állt rendelkezésre megfelelő, a lapra integrált szenzor, vagy az érzékelés helye az E-IoT Board telepítési helyétől távolabbra került. Ilyen kártyákat láthatunk a 2. ábrán.

2. ábra Az Endrich külső perifériaként illeszthető sztenderd szenzorkártya-családjának elemei (SPI & I²C)

Az így létrejött külső szenzorkártya-koncepció elemei I²C vagy SPI interfészen keresztül kapcsolódnak a fő IoT vezérlő áramkörhöz. Természetesen ugyanazok a szenzorok kaptak helyet ezeken a kis kártyákon is, mint a „nagytestvéreken”, de sem mikrovezérlőt, sem kommunikációs eszközt nem tartalmaznak, egészen olcsó néhány dolláros értéket képviselnek.
Minden szenzorkártya csatlakoztatható az Endrich IoT alapkártyákhoz is, ekkor SPI, hagyományos I²C vagy nagy távolságú speciális E-I²C interfész közül választhat a mérnök. Az utóbbi E-I²C^TM porton keresztül akár 50 méter áthidalására is lehetőség van, a kapcsolás az IoT lapon lévő I²C szenzoroktól való különválasztás érdekében a mikrokontroller egy másik I²C buszát használja. Így lehetőség nyílik nemcsak az eszköz közvetlen közelében, de attól viszonylag nagy távolságban is környezeti paramétereket mérni. Az Endrich koncepciója szerint a mikrokontroller és kommunikációs kártya változatlanul tartása mellett egyedi igényekre alakított, választható érzékelőkkel szerelt szenzoradatgyűjtő kártyák rendelésére is lehetőség van, számos változat szerepel a már kialakításra került alapkínálatban, mint színérzékelő, nyomásérzékelő, 8 × 8 pixeles hőkamera (GridEye) vagy levegőminőség-érzékelő.
Ahogy a felvetésben említettük a gyakorlatban ipari környezetben sok esetben kivitelezhetetlen a vezetékezés, részben azért mert fizikai veszélyt rejt a munkatérben jelen lévő kábel, másrészt pedig azért, mert nem lehet az általában zárt (fém)szekrényben elhelyezett távadótól kikábelezni az érzékelés helyére. Hálót a pók fon – nekünk ez nem célunk, maradjunk a kábelezéssel csak az olyan helyeken, ahol egyéb kábelkötegek is futnak, és nem jelent gondot az elvezetés. Ipari géptermekben sokkal előnyösebb valami olyan szub-gigahertz ISM sávban működő, alacsony fogyasztású vezetékmentes technológia választása, amely jó beltéri penetrációt biztosít („kilát” a zárt szekrényből), nem licencköteles és olcsó, nem igényel komoly beavatkozást. A ZigBee, BlueTooth, WiFi technológiák ebből a körből gyakran kiesnek, ezért kézenfekvőnek tűnik valamilyen a 868 MHz-es ISM sávban működő eszköz választása.

NeoCortec MESH-hálózat

Mi a NeoCortec megoldását választottuk, hiszen a cég professzionális, agilis, méretezhető és rendkívül alacsony fogyasztású vezeték nélküli csatlakozási megoldást kínál nagyon kevés korlátozással, és nagy hangsúlyt fektet arra, hogy felhasználóbarát legyen, ráadásul rövid piacra kerülési idővel. A NeoMesh segítségével nagyon egyszerű egy komplett, autonóm vezeték nélküli mesh-szenzorhálózat kiépítése. Sok más alacsony fogyasztású vezeték nélküli IoT-csatlakozási megoldástól eltérően a mesh-hálózat egy kiforrott technológia, amely évek óta ismert, és az idők során jelentős fejlesztéseken ment keresztül. A NeoCortec Mesh egy sor új megoldást vonultat fel az energiafogyasztás minimalizálása, a skálázhatóság és az adatbiztonság kezelésére. A NeoMesh protokoll, a szabadalmaztatott Wireless Mesh Networking Protocol autonóm intelligens csomópontokkal váltja fel a központi hálózatkezelőt. Ez a kulcsfontosságú funkció lehetővé teszi, hogy az összes hálózati csomópont összekapcsolódjon egymással, egyetlen hálózatot alkotva, amely egyszerűen működik, függetlenül attól, hogy mekkora. A szabadalmaztatott útválasztó mechanizmus zökkenőmentes adattovábbítást biztosít a hálózaton, és kiküszö­böli az olyan teljesítménycsökkentő tényezőket, mint például az RF-útvonalban lévő akadályok, a csomópontok blokkolása vagy a hálózaton belüli mozgás.

3. ábra NeoCortec modem az E-IoT eszközökön

A valós hálózatok gyenge pontjai egyszerűen kijavíthatók egy újabb csomópont hozzáadásával. Ha egy új eszköz a megfelelő hálózati azonosítóval (Network ID) rendelkezik, automatikusan a hálózat részévé válik. Az IoT-piac sok más megoldásától eltérően a NeoMesh nem támaszkodik harmadik féltől származó szolgáltatásokra. Ez átláthatóságot jelent a felmerülő költségek tekintetében. A hálózat teljes tulajdonjoga a felhasználóé, és csak nagyon alacsony üzemeltetési költségeket igényel. A megoldás hosszú élettartamra lett tervezve, nem kell aggódnunk az áramellátás miatt. Az energiafogyasztás rendkívül alacsony (10 uA), ami több éves akkumulátor-élettartamot tesz lehetővé. A NeoMesh-hálózat egy szinkronizált protokoll, amelyben minden csomópont az idő nagy részében alvó üzemmódban van. Az architektúra determinisztikus energiafogyasztási profilt tesz lehetővé a hálózat minden csomópontja számára, mindegyik nagyjából ugyanannyi energiát fogyaszt így, mint minden eleme, és a teljes hálózat évekig futhat. A rendszerben minden csomópont egyenlő. A protokollverem akár 65 000 csomópont alkalmazását is lehetővé teszi egy hálózaton belül. Minden csomópont képes adatokat generálni és küldeni, ezenkívül max. 127 csomópont képes adatot fogadni is.

4. ábra A hagyományos és NeoCortec-alapú E-IoT Mesh-hálózatok összehasonlítása

Méretük rendkívül jól illeszkedik ez E-IoT koncepció követelményeihez, így könnyen integrálhatók ezek az eszközök az Endrich külső szenzorkártyáihoz (11 × 18 × 2,5 mm) és az átjáróként funkcionáló alaplaphoz (E-IoT SBC) is.
A NeoMesh-technológia a protokoll stack magjába épített biztonsági és megbízhatósági funkciókat tartalmaz. Annak érdekében, hogy a hasznos adatokat és általában a hálózati kommunikációt ne tudja lehallgatni egy nem megbízható entitás, a csomópontok közötti minden vezeték nélküli kommunikáció AES128 titkosítással rendelkezik. A playback támadások megelőzése érdekében a forráscsomópont és a fogadó csomópont közötti minden hasznos adatcsere challenge-response mechanizmussal védett, amely lehetetlenné teszi egy korábbi átvitel egyszerű rögzítését és újbóli továbbítását. Ez az egész átvitel késleltetés nélkül történik.
A biztonság mellett számos funkció segíti az adatátvitel megbízhatóságának növelését: a helyi ACK/NACK garantálja, hogy amikor a hasznos adat az egyik csomópontról a másikra kerül, a küldő csomópont értesítést kapjon arról, hogy az adatátvitel sikeres volt vagy sem. A végpontok közötti ACK/NACK biztosítja, hogy a hasznos adatok kézbesítése után a fogadó csomóponton egy nyugtázó csomag visszakerüljön a forráscsomóponthoz. Ezt a visszaigazolást az alkalmazási réteg kapja meg. Alternatív megoldásként, ha a hasznos adat nem érte el a rendeltetési helyét a felhasználó által programozható időtúllépési időszak elérése előtt, akkor a protokollverem egy hibanyugtázást generál, és az alkalmazási rétegre szállítja.
A rádiózaj leküzdésére – legyen szó általában zajról, vagy más, ugyanabban a szabad ISM frekvenciasávban működő technológiáktól származó kommunikációs jelekről – a Frequency Hopping Spread Spectrum segítségével egyenletesen oszlik el az adás a frekvenciasávban. Minden csomópontnak megvan a saját véletlenszerűen kiválasztott ugrási sémája, így minden adáskor új csatornán fog forgalmazni.

Az E-IoT-MESH-szenzorhálózat

Az Endrich új NeoCortec technológián alapuló elemes táplálású vezetékmentes szenzorlapkái és az ezekhez a lokális szenzorhálózatot képző eszközökhöz átjáróként készített E-IoT-MESH-pajzzsal kiegészített E-IoT SBC egy komplett, független, biztonságos megoldást jelent ipari környezetben végzett adatgyűjtéshez.
Az elemes táplálású szenzorlapkák az átjáróval egymáson keresztül, vagy közvetlenül az átjáróval kommunikálva eljuttatják adataikat az E-IoT SBC eszközhöz, ez a lokális szenzorhálózat pedig egy ponton lép ki a GSM hálózaton keresztül az Internet felé. Az adatok felhőalapú adatbázisba küldéséről az NB-IoT LPWA technológia felel.

5. ábra Az E-IoT-Mesh eszközei a vezetékmentes önálló szenzorlapkák
és az E-IoT Mesh-LPWA Gateway

Cikksorozatunk következő részében bővebben beszélünk ennek a technológiának az alkalmazhatóságáról további példák bemutatásán keresztül.

Szerző: Kiss Zoltán, Export Igazgató –
Head of R&D –
Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1188 Budapest, Kölcsey u. 102/A
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

E-IoT alkalmazás – 3. rész

E-IoT alkalmazás – 2. rész

E-IoT alkalmazás – 1. rész

E-IoT alkalmazás – 5. rész

E-IoT alkalmazás – 6. rész