„Konyhakész” IoT-megoldások

A beágyazott elektronika – és ezen belül különösen a „dolgok internete”, az IoT – ma már elképzelhetetlen hatékony kommunikációs részmegoldások nélkül. Ez utóbbiak szinte kizárólag vezetékmentesek, és nagyrészt a létező mobilkommunikációs infrastruktúrán át érik el a „felhőt”. Az IoT-eszközöket fejlesztő mérnöki munkacsoportokban ezért nélkülözhetetlen a vezetékmentes kommunikáció (rendszerint nem „olcsó”) specialistája – kivéve, ha a fejlesztők a kommunikáció részproblémáinak „konyhakész” megoldását tartalmazó eszközöket használnak fel.

A felhőben élünk

Szinte felesleges mondani, hiszen magától értetődő, hogy az Internet of Things (IoT) megoldások működésének megkerülhetetlen feltétele a végpontok közötti biztonságos és megbízható internetkapcsolat. Ha ez megvalósult, nem kell többé törődni azzal, milyen úton jut el – akár a Föld átellenes oldalára is – az IoT-eszközben keletkező elsődleges információ az azt összegyűjtő, tároló, értelmező és döntéshozó feldolgozóeszközig. Mivel a tényleges útvonal a felhasználó elől rejtve marad, és akár egy üzeneten belül is változhat, ráadásul a fizikai megvalósítás részletei a felhasználónak lényegében érdektelenek is, gyakran rajzolunk egy „felhőt” ennek a bolygónkat behálózó információs hálózatnak a szemléltetésére. A felhőben azonban ma már ennél is sokkal több erőforrás rejlik: olyan infrastrukturális elemeket is tartalmaz (elosztott, biztonságos tárolóhelyek, bérelhető virtuális számítógépek és szoftvermegoldások stb.), amelyek felhasználásával meglehet, hogy az előbb „feldolgozóeszköznek” nevezett végpontok maguk is a felhőben – mondjuk így: virtuálisan – realizálódnak anélkül, hogy a felhasználó ismerné a fizikai erőforrások tényleges földrajzi elhelyezkedését. Nem szükséges ennek számtalan lehetőségéről itt értekeznünk; enélkül is érthető egy IoT-végpont fejlesztőjének az a törekvése, hogy a számára legegyszerűbb kommunikációs hardverfelületről (fejlesztési időben, erőforrásigényben, méretben, energiafogyasztásban – és nem utolsósorban költségben – mérve) a legkedvezőbb feltételekkel kapcsolja eszközét a „felhőhöz”: ha addig eljutott, onnan már gyakorlatilag bárhova eljuthat.

1. ábra  Az IRIS modul tömbvázlata

IRIS termékcsalád – soros kommunikációval egyenest a „felhőbe”

Az ógörög mitológia egyik „hírátvitelre szakosodott” istennőjéről elnevezett IRIS-modul (1. ábra) éppen ezt a célt tűzi ki maga elé. Magvát egy WRF01 típusú „egycsipes felhőinterfész” (Cloud-on-Chip) félvezetőeszköz, az EBV elektronikai alkatrészdisztribútor EBVchips elnevezésű félvezető-megoldásszolgáltatójának gyártmánya alkotja. Ez a helyi alkalmazáshoz a létező legegyszerűbb, soros UART-interfésszel, az internethez pedig a széles körben használt, könnyen elérhető WiFi-infrastruktúrán keresztül csatlakozik. A WRF01 csip két fő részegységből tevődik össze: az egyik a felhasználó által „látható” Xtensa LX106 típusú MCU-n alapuló alkalmazásprocesszor, az alkalmazás futtatásához szükséges RAM és flashmemóriákkal, a másik pedig egy, a felhasználó számára csak protokollszinten elérhető hálózati processzor. Ez utóbbi a webes kliens/szerver, a kommunikációs biztonságról gondoskodó TLS (Transport Layer Security), valamint a „visszafelé kompatibilitás” érdekében annak elődje, az SSL (Secure Sockets Layer), és végül, de nem utolsósorban a TCP/IP protokollokat is futtatja. A hálózati processzor másik feladata a WiFi-protokoll kezelése, továbbá az alapsávi és rádióinterfész fizikai megvalósítása, aminek RF-csatlakozásához csupán egy helyesen méretezett, NyÁK-fóliamintából is kivitelezhető WiFi-antennát kell illeszteni. Nem mellékes körülmény a fejlesztők számára, hogy a modul megvásárlásával együtt készen kapják mindazokat a tanúsítványokat, amelyek nélkül „törvényesen” (azaz piacképesen) nem lehet vezetékmentesen kommunikáló eszközt forgalmazni. A hardvertől elválaszthatatlanul, készen kapják továbbá a vezetékmentes kommunikációhoz és az interneteléréshez szükséges összes „tudást” – amit e helyen csak azért nem nevezünk „szoftvernek”, mert a felhasználónak nem is kell tudomást vennie arról, hogy a kész alkalmazás egyáltalán használja az említett kommunikációs protokollokat. Ezekkel gyakorlatilag hálózati szoftverismeret nélkül lehet megvalósítani egy WiFi-alapú hálózati hozzáférést. Ezen túl az EBVchips vállalja még az alkalmazásprocesszor szoftverfejlesztését is a végtermék gyártójával együttműködve, annak igényei szerint, bár ehhez – érthető okokból – jelentős, „ipari mennyiségű” darabszám megrendelése szükséges. Ha a WRF01 Cloud-on-Chip integrált áramkör helyett a felhasználó az IRIS-MOD-WRF01-M34A modult (18 × 20 × 3 mm) vásárolja meg, még a WiFi-antenna kivitelezése alól is mentesül. Az alkalmazás egyszerűségét érzékelteti, hogy a modul 18 kivezetése közül csupán kilencnek van elektronikus funkciója. Ha ebből a tápfeszültség-hozzávezetések számát levonjuk, látszik, hogy a hardver „design-in” valóban nem igényel sok fejtörést. Az IRIS-alapú prototípusfejlesztés tehát hatékony és gyors, amelyhez még a gyártónak az a támogatása is hozzájárul, hogy a fejlesztő számos szabad forráskódú alkalmazási példából meríthet ötletet, továbbá fejlesztési célra, korlátozott ideig az Azure felhőszolgáltatáshoz is költségmentesen hozzáférhet. A fejlesztők munkáját tovább könnyíti a – mindössze 50 × 50 × 20 mm méretű – IRIS-WRF01-EVK-ZERO demonstrációs kártya, amely az Arduino Zero modulrendszerhez közvetlenül, egy hoszt PC-hez pedig USB-n keresztül is csatlakoztatható. Elérhető még az IRIS-IOBRIDGE megnevezésű, összetettebb termék, amely beépített mozgás- és hőmérsékletszenzorával, valamint 3,3 V-os maximális bemeneti feszültségű AD-konverterével gyakorlatilag „kulcsrakészen” vehető használatba bizonyos IoT-, épületautomatizálási és mozgásérzékelési célú vezetékmentes szenzoralkalmazások érzékelő végpontjaként. A végfelhasználó számára jelenthet komoly üzemköltség-megtakarítást az OTA (On-the-Air upgrade), az eszköz alkalmazási szoftverének a vezetékmentes útvonal felől megvalósítható frissítése. Végül megjegyezzük, hogy a WRF01 a Cloud-on-Chip félvezetőeszköz-családnak csak az egyik tagja; létezik egy WRF03 jelű modell is, amely a most ismertetett eszköz funkcionalitásain kívül Bluetooth-kommunikációra is alkalmas.

2. ábra  A Heracles 224G vezetékmentes modem

Heracles 224G kommunikációs modul – teljes mobilitás, egyszerűen

Már az előző fejezet főszereplője, az IRIS-modul is engedélyezett némi mobilitást, de csupán a WiFi-lefedettség határain (például egy lakáson vagy ipari telephelyen) belül. Ez azonban nem elégíti ki a nagyobb, „földrajzi értelemben” is jelentős mobilitást igénylő alkalmazások követelményeit. Erre a célra dolgozta ki az EBVchips a Heracles 224G megnevezésű modemcsipjét (2. ábra), amelynek hordozóközege értelemszerűen a nyilvános mobilszolgáltatók infrastruktúrája. A cikknek ez az a pontja, ahol felszisszen az az olvasó, aki már próbálkozott hasonló megoldás alkalmazásával: szembesülhetett ugyanis annak az – egyébként nyilvánvaló – ténynek a következményeivel, hogy a mobilhálózatokon kommunikálni csak előfizetéssel és SIM-kártya használatával lehet (amihez kell egy szolgáltatót találnia és azzal – nem mindig egyszerűen – szolgáltatási szerződést kötnie), sőt, az országhatárokon túl terjeszkedő alkalmazásokban már az adatroaming problémáját is meg kell oldani. Nem a Heracles modulcsalád az első, amely a mobilhálózat adatátviteli képességeit hasznosítani tudja, de a kevesek egyike, amely szerepet vállal abban is, hogy erre a – fejlesztőnek talán másodlagos, de a végfelhasználó életét megkeseríteni képes – problémára megoldást kínáljon. A Heracles 224G tehát nem csak műszaki megoldás, hanem üzleti modell is egyben, mivel a lehető legjobban leegyszerűsíti a mobilhálózat használatával járó adminisztratív és elszámolási feladatokat. Mivel a végfelhasználót ez legalább annyira érdekli, mint a műszaki kiválóság, a végtermék piacképessége, esetleg egy tender megnyerése múlhat azon, mennyire „akadálymentes”, és milyen szolgáltatási színvonalat képvisel a megoldás üzleti modellje. Kezdjük azonban az elején; lássuk, mit kínál műszaki szempontból a Heracles 224G csip. Az elv hasonló ahhoz, amit az IRIS-szel kapcsolatban megismertünk: egyszerű, könnyen kezelhető interfész az alkalmazás felől, a mobilhálózat felé pedig olyan „plug&play” megoldás, amivel az alkalmazásfejlesztőnek gyakorlatilag nem kell foglalkoznia. Az viszont lényeges, hogy az eszköz mennyire változatos mobilhálózati környezetben használható. A válasz megnyugtató: egyaránt képes kapcsolatba lépni a 850, 900, 1800 és 1900 MHz-es frekvenciasávot hasznosító mobilhálózatokkal. Kezeli a négysávos GPRS/EDGE szabványú kommunikációt, valamint az FDD és TDD LTE-t, és ezzel sima átmenetet biztosít a korábban szinte kizárólagosan használt 2G-alapú M2M (Machine to Machine) rendszerekből a nagyobb sávszélességű LPWA-LTE felé, amely egyben „jövőbiztosabb” is a korábbi, előbb-utóbb kivezetésre kerülő technológiáknál. A széles körben helyfüggetlen kommunikáció mellett a Hearcles 224G a mobilitás egy másik feltételét is teljesíti, tartalmazza a különféle (nyilvános) globális helyzetmeghatározó rendszerek (GPS, GLONASS, BeiDou) használatára alkalmas vevőegységet. Mindez jelentős teret kínál az olyan alkalmazásoknak, mint a közüzemi fogyasztásmérés, az „okos” közműhálózatok, a viselhető eszközök piaca, a tárgyak és élőlények mozgásának követése, a mozgó rendszerek távfelügyelete, a fiziológiai paramétereknek a páciens mozgásától független távmonitorozása, a telematikai rendszerek, a mobil kereskedelmi terminálok, a kerékpárkölcsönzés, az „okos” mezőgazdasági gépek – és a sort vég nélkül folytathatnánk. A különféle technológiákkal elérhető adatátviteli sávszélességet az 1. táblázat mutatja. Talán meglepőek ezek az alacsony értékek a 4G (és még inkább a most bontakozó 5G) mobiltechnológiák jellemzőinek „árnyékában”, de a gép/gép közötti adatátvitel, vagy néhány száz bájtos, óránként továbbított szenzoradat ritkán igényel ennél nagyobb (és ezzel együtt sávszélesség- és teljesítményigényesebb) adatsebességet. Mivel sok szempontból – és némi leegyszerűsítéssel – a Heracles 224G modem egy „lecsupaszított butatelefonra” emlékeztet, elérhetők rajta az utóbbiak összes jellegzetes interfészei (billentyűzet, hangátvitel, USB, UART, GPIO sb.) és protokolljai (TCP/IP IPv4/IPv6, UDP, PPP (pont-pont közötti adatátvitel), MQTT (üzenetek sorbaállítását garantáló telemetriai protokoll), e-mail, ftp, http, ssl/tls (titkosítás) stb. Az SMS-küldésnél támogatja mind az önmaga (Modem Originated – MO), mind pedig a távoli végpont által kezdeményezett (Modem Terminated – MT) üzenetküldési üzemmódokat. A modemfunkciók az e témakör „de facto” szabványának tekintett AT-parancskészlettel programozhatók. Különösen a terepi elhelyezésre, kültéri használatra vagy teleptáplálásra tervezett alkalmazások (az IoT-alkalmazások többsége) tervezőit érdekelhetik az eszköz következő paraméterei: 3,0…4,3 V tápfeszültségtartomány (belső szabályozás 1,8 V-ra), 40°C…+85°C környezeti hőmérséklet, 24 × 26 × 2,6 mm méret, áramfelvétel elektronikusan kikapcsolt állapotban 7 µA, energiatakarékos üzemmódban 9 µA, alvó állapotban 1 mA, bekapcsolt, tétlen állapotban 11 mA.

1. táblázat  A Heracles 224G által támogatott adatátviteli protokollok sávszélessége

Ne keresgélj szolgáltatót – vedd meg és használd

A Heracles 224G kiemelten vonzó tulajdonságaként említettük a mobilhálózat szerződéses igénybevételének bonyodalmait helyettesítő egyszerű használatba vételt. A hardvertervezőknek (általában) nem kell külső SIM-kártyát fogadó mechanikát és csatlakozót megvalósítaniuk, ugyanis az eszköz eleve tartalmaz egy beépített SIM-funkciót. A modem „árban foglalt tartozéka” egy előre kifizetett előfizetés az Orange mobilszolgáltatóhoz, amelyet már a gyártónál aktiválnak, és – a megrendelő szándékától és a vételártól függően 50 vagy 500 Mbájtnyi – adatforgalmat foglal magában. A magyar felhasználót itt az gondolkoztathatja el, hogy az Orange nincs jelen a hazai mobilpiacon. Ez igaz, ám az eszköz megvásárlásával automatikusan létrejövő (a felhasználónak szó szerint semmilyen gondot nem okozó) szerződés adatroaming lehetőséget is tartalmaz Európa 33 országában (köztük Magyarországon is. A többi 32 felsorolásától megkíméljük az olvasót), ezzel tehát tágabb hazánk, az EU területén is zavartalan a használat. Azokat, akik az Orange mobilszolgáltatóra brit alapítású cégként emlékeznek, megnyugtathatjuk, hogy ma már Franciaországban számít helyi szolgáltatónak. De nem csak ezért tekinthető „brexitbiztosnak”, hanem mert az Egyesült Királyságban az esetleges brexit után is érvényes szerződések garantálják a folyamatos szolgáltatást). Azonban azoknak a fejlesztőknek sem kell aggódniuk, akik az EU-piacon kívülre (pl. Oroszországba, Szerbiába, Ázsia és Amerika országaiba stb.) tervezik exportálni a terméküket: a Heracles 224G-hez egy külső SIM-kártya is csatlakoztatható, amely a végtermékkel „megcélzott” piac mobilhálózatát is használható infrastruktúrává teszi. Az ilyen előre fizetett szolgáltatásokkal szemben, – különösen a gép/gép-kapcsolatot működtető – előfizetésekkel szemben felmerülhet az aggály, hogy az előre kifizetett adatmennyiség elfogyásakor váratlanul, esetleg kritikus adatvesztést okozva áll le a szolgáltatás. Ettől sem kell tartani, mert amennyiben a maradék adatmennyiség egy megadott limit alá csökken, a végfelhasználó értesítést kap, és elég ideje marad újratölteni a felhasználható keretet. (Itt jegyezzük meg, hogy ez inkább elméleti veszély, ugyanis még a kisebb, 50 Mbájtos keretet választva is évek telnek el, mire egy kis adatmennyiséget produkáló IoT végpont egyenlegének feltöltésével foglalkozni kell, és ez az idő már összemérhető egy IoT-készülék teljes tervezett élettartamával.) A végfelhasználó már csak azért is „jövőbiztos” megoldást kap az eszköz megvásárlásával, mert az Orange adatszolgáltatási kötelezettsége nyolc évig tart, és az egyenleg újratöltésekor az élettartam újabb nyolc évvel meghosszabbodik. A felhasználónak viszont azzal – az egyébként logikus – „árnyoldallal” is tisztában kell lennie, hogy a szolgáltatás az eszköz „világegyedi” készülékazonosító IMEI-kódjához kötött, ezért annak megsemmisülésével vagy elvesztésével a szolgáltatási kötelezettség is megszűnik.

Összefoglalás

A jelenkor gazdasági kényszerei között egy termék piacképessége nem egyedül annak előnyös műszaki tulajdonságain múlik. Jelentős vonzerő az egyszerű, gyors és jól támogatott fejleszthetőség, a piacképes termék előállításának alacsony költsége és időtartama éppúgy, mint a végtermék „felhasználóbarát” megoldásai, amelyek között még olyan előnyök is szerephez jutnak, mint az egyszerűen létrehozható és könnyen karbantartható szolgáltatási szerződés.

Szerző: Tóth Ferenc

A cikk alapjául szolgáló termékeket Magyarországon az EBV Elektronik Kft. forgalmazza. A téma iránt alaposabban érdeklődőknek javasoljuk: vegyék fel a kapcsolatot Nagy Krisztiánnal (Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.), a cég támogatómérnökével.

EBV Elektronik Kft.
1117 Budapest, Budafoki út 91-93.
Tel.: +36 1 436 7220
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.ebv.com

Még több EBV