TME-FLUKE-get-gift-2024-Apr16-Apr30_MEweb

Samsung-Passive-MLCC-2024-Apr7-May7-MEweb

DigiKey-Amphenol-Max-M12-Conn-2024-Apr-MEweb

Arrow-ADI-Increase the Efficiency-18-April-2024

E-Innováció – 4. rész

Megjelent: 2023. június 14.

Alkalmazási példák – okosotthon, világítás-, redőny- és klímavezérlés

A február havi számmal kezdődően a Magyar Elektronika hasábjain egy új cikksorozatot indítottunk az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH legújabb innovációiról, amelyekkel a hazai és nemzetközi kiállításokon és konferenciákon találkozhatnak az érdeklődő szakemberek az év folyamán.
Jelen számunkban egy olyan mintarendszert szeretnénk bemutatni, amelynek tervezésekor felvonultattuk az E-IoT koncepció jónéhány elemét, kezdve az előző lapszámban bemutatott szenzor- és kommunikációs pajzsoktól a felhőalapú adatbázison keresztül a webes és mobiltelefonos-applikáció-alapú adatmegjelenítésekig.
Az utolsó hetekben a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Karán végzős gyakornokunk segítségével elkészült a Fibocom MA510 NB-IoT/LTE-M és 2G GSM modemjének C++ könyvtára, az objektumorientált érzékelő és adatbeküldő szoftver, és megszületett a legújabb adatmegjelenítő eszközünk, az Android mobilapplikáció is. Az otthoni okoseszközök, mint például a rádiós klíma, árnyékoló redőny/roló és világítótestek Bluetooth-on keresztüli vezérlésére pedig kidolgoztunk egy szimulátoralkalmazást. Jelen írásunkban ezt a komplex okosotthon-koncepciót részletezzük.

Az E-IoT platform segítségével kialakított okosotthon-mintaalkalmazás

A korábbi írásainkban részletesen tárgyaltuk az E-IoT platform hardverelemeit, amelyek jellemzően valamilyen népszerű mikrovezérlő (GD32 ARM/Risc-V, Microchip SAMD21 és SAMD51 vagy RP2040) köré épült saját fejlesztésű miniszámítógépek IoT funkciókkal kiegészítve.
Ezek a 2in1 (szenzor és kommunikációs pajzs) vagy 3in1 megoldások (Single Board Computer) egy készülékben egyesítik az IoT végpontok számára nélkülözhetetlen szenzor, az ezek adatgyűjtését irányító vezérlő, és az adatok továbbítására szolgáló vezetékmentes (LPWA) kommunikáció funkcióit.
A mikrovezérlő kiegészíthető további vezetékmentes lokális WLAN hálózatot megvalósító eszközökkel is, amelyek felhasználhatók további okosszenzorok rendszerbe integrálására, ilyen volt például a korábban bemutatott Neo.Cortec sub-Gigahertz ISM frekvenciasávban működő MESH szenzorhálózat, amelyet az E-IoT eszközök nagy része támogat.
Amennyiben a lakásban lévő általános célú okoseszközök (klíma, árnyékoló redőny/roló, világítás) vezérlését is el kell végezni, akkor WiFi vagy Bluetooth kapcsolatot is kell integrálni a központi vezérlőnkbe. Ennek köszönhetően a most megvalósított koncepcionális okosotthonrendszer is kapott egy Bluetooth 2.0 modult, ami egy okostelefonon futó BlueTooth Terminál program segítségével képes megjeleníteni a szenzorok által mért adatokon alapuló döntésekhez tartozó parancsokat, ezzel emulálva egy valós okosotthonrendszer lokális vezérlőhálózatát. A rendszer kihasználja az Endrich IoT szolgáltatásait, a mért szenzoradatokat felhőalapú adatbázisba juttatja a GSM hálózat segítségével (UDP), a mobil eszközökön valós idejű adatmegjelenítésre alkalmas, és az MCU lokális vezetékmentes kapcsolaton keresztül parancsokat is képes adni az okoseszközöknek.

A megvalósított mintarendszer a következő funkciókkal rendelkezik:

Hőmérséklet- (és légnyomás-) érzékelés integrált I²C digitális hőmérővel;
a látható fény intenzitásának mérése ALS szenzorral;
előre beállított alsó és felső határértékekből való kilépéskor BT 2.0 kommunikációval parancsokat küld az otthoni okoseszközök (a klíma, a világítás és a redőny) számára (ezek emulációja BT terminálon);
a mért szenzoradatok beküldése JSON táviratként a GSM modem segítségével az E-IoT CDB központi Cloud Szerverre;
a tárolt adatok lekérése az Endrich Szenzor API segítségével Android készülékre és grafikus ábrázolás (hasonló megoldás elérhető IoS készülékekre is);
a mért adatok függvényében vezérlőparancsok küldése BT 2.0 kapcsolaton keresztül BT MASTER eszköz részére, és onnan manuális beállítások fogadása.

1. ábra Az okosotthon-mintaalkalmazás vezérlési struktúrája

A rendszer felépítése

Az alkalmazott központi hardver szinte bármelyik E-IoT eszköz, a RISC-V alapú E-IoT board, a tetszőleges SBC-hez UART-on keresztül illeszthető 3BIG-MOD és a hozzá tartozó kiértékelő lap, vagy az előző részben említett IoT Arduino-hoz vagy Raspberry Pi-hez fejlesztett IoT pajzs is lehet.
Közös elvárásként szenzorokra van szükség. Ahhoz pedig, hogy a szenzorok által mért jellemzőket felhőalapú adatbázisba juttassuk, valamilyen kommunikációs eszközzel kell kiegészítenünk őket. Ahhoz, hogy az SBC IoT csomópontként működhessen eddig is sok lehetősége volt a fejlesztőknek, hiszen a kereskedelmi forgalomban kapható miniszámítógépeken hozzáférhető I/O portok sokasága lehetővé teszi, hogy akár analóg, akár digitális (I²C) szenzorokat illesszenek a készülékhez, a UART porton keresztül pedig GSM modem képes az adatok felhőbe juttatására – az E-IoT készülékek azonban minden szükséges funkcióval rendelkeznek.
Bármelyik Endrich IoT pajzson megtalálható a légnyomásszintet, a környezeti hőmérsékletet és a differenciális légnyomás alapján kalkulált magasságot érzékelő szenzor, és a látható tartományban, az emberi szem spektrális érzékenységét közelítően modellező ALS szenzor is. Az MCU lap szabad portjai továbbra is használhatóak külső perifériák illesztésére, így egy második UART porton keresztül csatlakoztatható valamilyen BT eszköz, például az általunk használt HC-05 BT2.0 modul. A pajzson található egy az MCU UART portjával összekapcsolt LPWA modem is, ami a soros porton az MCU felől érkező AT parancsok segítségével a celluláris hálózatot használva juttatja el az adatokat az Endrich felhőalapú adatbázisába, vagy egyéb publikus felhőszolgáltatókhoz. Az elérhető szolgáltatások közül alacsony energiafogyasztás mellett igénybe vehetjük az NB-IoT vagy az LTE-M LPWA hálózatokat, azonban ezek hiányában sem kell lemondanunk az adatküldésről, mert a modem képes a 2G/GPRS hálózaton is kommunikálni.

2. ábra Az E-IoT okosotthonrendszer felépítése

Az adatok felhőbe juttatása és megjelenítése

Az alkalmazott E-IoT eszközhöz fejlesztett C++ könyvtár lehetővé teszi az egyes érzékelők adatainak kiolvasását és kiértékelését is. A mért adatok alapján azonnal lehetőség van a BT 2.0 modulon keresztül parancsok kiadására a helyi BT eszközök felé.
Az MA510 GSM modemhez fejlesztett kommunikációs könyvtár minden a modemmel és a GSM hálózattal kapcsolatos szükséges funkciót támogat, így egyszerűen lekérdezhető – a teljesség igénye nélkül felsorolva – a Modem és a SIM kártya azonosítója, az Endrich felhőszerver DNS adatai, emellett képes a szerver és a modem között UDP-csatorna létesítésére, a küldendő JSON távirat felépítésére, kódolására és feladására, elküldésére is. Az E-IoT felhőalapú adatbázisa az adatokat egységes formában kéri ahhoz, hogy a Visualization Gateway és az applikációs megjelenítést támogató API-k számára egységes adatstruktúra álljon rendelkezésre.

3. ábra A felépítendő JSON telegram szerkezete

A létrehozott JSON távirat kódolásáról és annak feladásáról a C++ könyvtárfüggvények gondoskodnak, maguk a modemműveletek az MCU és a Modem UART adatkapcsolatán keresztül AT parancsok segítségével valósulnak meg.
Az E-Cloud relációs adatbázisába kerülő adatok hozzáféréséről az E-IoT rendszer többféleképpen gondoskodik. A felhasználóknak lehetőségük van – felhasználói bejelentkezés után – a webes ügyfélportálon keresztül letölteni, az E-Visualization Gateway webes műszerfal segítségével megjeleníteni, vagy a rendelkezésre álló API-k segítségével saját applikációba integrálni. Ez utóbbi módszert használta gyakornok kollégánk is a frissen kifejlesztett Android okostelefonos alkalmazás megvalósításához. Az API meghívásakor a lekért eszköz adatai szintén JSON szerkezetben állnak rendelkezésre, feldolgozásukkal grafikus megjelenítésre van lehetőség.

4. ábra Az okosotthon-mintarendszer távoli szerverrel (E-IoT Cloud-dal) való kommunikációja

Lokális okoseszköz-vezérlés emulációja Bluetooth-on keresztül

Az E-IoT SBC hőmérséklet- és látható fényintenzitás-szenzorai által érzékelt adatok alapján az MCU egyszerű döntéseket képes hozni az 1. ábrán vázolt rendszerben. Ahhoz, hogy ezen egyszerű döntések alapján az otthoni okoseszközöket vezérelni tudjuk, valamilyen támogatott vezetékmentes lokális rádiós kapcsolat létesítésére van szükség, ilyen lehet a WiFi vagy a Bluetooth technológia integrálása. Mintarendszerünkben egy Bluetooth 2.0 modult használunk egy szabad UART Tx és Rx lábainak csatlakoztatásával a HC-05 Rx és Tx lábaihoz, ezek után már csak 5 V tápfeszültséget kell biztosítani a modul számára és a soros porton való kommunikáció útján parancsokat küldhetünk.
Mivel általános koncepcionális megoldásban gondolkodunk, valós eszközök helyett egy mobiltelefont és egy azon futó Bluetooth terminált használtunk a parancsok megjelenítésére, valamint az ott begépelt manuális adatok fogadására az E-IoT eszközön.
A HC-05 modul és a mobiltelefon párosítása, valamint a BT terminálemulátor elindítása után már használható is a rendszer.

Endrich okosotthon 5

5. ábra Az okosotthon-mintarendszer helyi Bluetooth-alapú kommunikációja

Az alkotókról

A cikksorozat befejezésével engedje meg az olvasó, hogy bemutassam a rendszer megalkotóit és beszéljek feladataikról.
Kocsis Csaba, fejlesztőmérnök – a hardverrendszerek tervezője és megalkotója.
Veresegyházy Zsolt, okl. villamosmérnök – a webes háttérrendszerek, az ECDB, az ügyfélkiszolgáló rendszer, a Visualization Gateway és az API-k fejlesztője.
Kiss Bence, BME VIK harmadéves hallgató, gyakornok – az MA510 és szenzor C++ könyvtárfejlesztő, az Android App és a Bluetooth vezérlésemulátor-program készítője.
Dankó Tibor, a hardverek gyártója és rengeteg jó ötlet adója.
Jómagam (Kiss Zoltán) pedig a HW&SW rendszerek alapjainak kidolgozásáért felelek, valamint a beágyazott szoftverek (C/C++) területén, és az IoS-alapú programozásban (Swift) tevékenykedem.

Szerzők: Kiss Zoltán, Export Igazgató, Head of R&D; Kocsis Csaba, Hardvermérnök; Veresegyházy Zsolt, Vezető Szoftverfejlesztő; Kiss Bence, Mérnök-Informatikus Hallgató, GYakornok; Dankó Tibor, Villamosmérnök, Gyártás – Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH