E-IoT átjárók a lokális Neo.Mesh okosszenzor-hálózat illesztésére – 3. rész
A magazin előző számaiban a multipont-pont IoT struktúrában működő lokális okosszenzor-hálózatok Internet-átjáróinak témakörét érintettük, és olyan E-IoT PoC (Proof of Concept) megoldásokat vettünk szemügyre, amelyek a Neo.Mesh integráción kívül képesek az Internethez is csatlakozni és a lokális hálózatból érkező okosszenzoradatokat az Endrich Cloud felhőalapú adatbázisába juttatni. A felsorolásban eddig csak az említés szintjén foglalkoztunk a legáltalánosabb célú, olcsó átjáróval, amely mind LPWAN (NB-IoT/LTE-M/2G), mind pedig CAT-1BIS GSM modemekkel készül, ezt a hiányosságot most pótoljuk, valamint szeretnénk kicsit részletesebben is megmutatni a rendelkezésre álló „mesh-képes” vezetékmentes szenzorokat is.
Neo.Mesh / LPWAN vagy CAT-1BIS átjáró általános feladatokra
A korábban bemutatott célorientált megoldások mellett szükségét éreztük egy egyszerű, olcsó és a lehető legáltalánosabb funkcionalitással bíró Internet gateway elkészítésének is. Ez az átjáró társaitól abban különbözik, hogy vagy energiatakarékos módon néhány tíz-, vagy hálózati USB töltőről üzemeltetve akár egészen nagyszámú NeoCortec okosszenzor adatát képes továbbítani az Internet felé. Utóbbi esetben a korábbi LPWAN megoldások helyett itt LTE CAT-1 hálózati kapcsolatot létesítünk, amely 5 Mbps sebességgel képes az adatok felhőbe juttatására és az integrált WiFi Scan funkció segítségével beltéri helymeghatározást is lehetővé tesz.
Az 1. ábrán látható okosszenzor-hálózat elvi felépítése a következő megfontolásokon alapul:
- Az egyszerű, kis méretű, néhány byte-os szenzoradatokat (hőmérséklet, páratartalom, fényerősség stb.) gyűjtse össze elemes táplálású, akár egyetlen töltéssel évekig is üzemelni képes vezetékmentes okosszenzorokkal, amelyek mindenféle helyszíni beállítástól mentesen, ad-hoc módon bekapcsolás után azonnal a hálózat részeként üzemelnek.
- Az adatokat egyetlen egyszerű, hálózati USB táplálású eszköz gyűjtse össze, rendszerezze, alakítsa JSON telegrammá, és a GSM hálózat felhasználásával juttassa el valamilyen felhőszolgáltató adatbázisába.
- Az átjáró támogassa az IoT eszközök által gyakran használt UDP és MQTT protokollokat.
- Az átjáró kialakításánál vegyük figyelembe a következőket:
- adjunk lehetőséget terepi üzemeltetésre, ahol előírás a kis fogyasztás (pl. napelemes akkumulátoregység biztosította USB tápellátás esetén is képes legyen folyamatos működésre);
- ha az energiaellátás nem kritikus, akkor legyen lehetőség extra funkciókra, mint például a beltéri lokalizációra, vagy a relatív nagyszámú szenzor kiszolgálására;
- kis méretű, és a fenti különböző kivitelek esetén is azonos kialakítású eszközre van szükség;
- integrált 868 MHz LPLAN és LPWAN/LTE antennák.
1. ábra A kis fogyasztású vezetékmentes ad-hoc szenzorhálózat felépítése LPLAN-LPWAN átjáróval
A fenti tervezési irányelvek mentén az Endrich különböző eszközöket alakított ki mind a szenzorcsomópontok, mind az átjárók tekintetében, amelyeket az alábbiakban ismertetünk.
Neo.Mesh hálózatba kapcsolható okosszenzorok
A Neo.Mesh hálózat adta lehetőségekkel számos korábbi cikkben foglalkoztunk, most szeretnénk bemutatni azokat a szenzormodulokat, amelyeket adatgyűjtésre használunk a lokális hálózati oldalon. A különböző kivitelű és funkciójú modulokat hálózatonként egyedi számozással kell ellátnunk az üzenetek azonosíthatósága érdekében.
2. ábra E-IoT NeoCortec-alapú vezetékmentes okosszenzormodulok
A látható fény intenzitásának mérésére alkalmas modul
Az ALS (Ambient Light Sensor) a fény látható hullámhossztartományba eső részének intenzitását méri. A fény intenzitásával arányos analóg feszültségkimenettel rendelkezik, amit a NeoCortec modul részét képező ADC2 (A/D konverter) alakít digitális jellé. Az ADC1 lábon a modul a tápforrásul szolgáló tölthető elem aktuális kapocsfeszültségét méri. A modul egy HALL számlálót is tartalmaz, amellyel a mérési intervallumokban beérkező mágneses impulzusok (mágneses tér közelítése) számlálhatók. Ez utóbbi például egy alkalmas mágnessel kombinálva kiválóan használható ajtónyitás számlálására.
Hőmérséklet- és páratartalom-mérő modul
Ez az egység a NeoCortec modul I2C digitális belső buszát használja a fedélzeti Sensirion STH45 digitális hőmérő és páratartalom-mérő szenzor jeleinek feldolgozására. Az analóg szenzoros modulok mellett lehetőség van a TI HTU21D vagy a Sensirion SHT45 digitális hőmérséklet- és páratartalom-mérő szenzorait a modul I2C lábaihoz kapcsolni, és a mennyiségeket digitálisan kinyerni a regiszterekből. Az NC1000 fedélzeti ARM CORTEX M0+ mikrovezérlőjén futó firmware gyárilag támogatja a fenti szenzorokkal való műveleteket.
A látható fény intenzitásának mérésére alkalmas modul RGB jelző LED-del kiegészítve
Mivel a Neo.Mesh hálózat bidirekcionális adatátvitelre is használható, nemcsak a szenzor-felhő irányú adatáramlás lehetséges, hanem az átjáró felől a modult címző utasítás is érkezhet. Ezen a speciális fénymérő modulon az alapfunkció mellett a fedélzeti RGB LED színe állítható be a felhő felől az átjárón keresztül érkező utasítással. Használható ez az eszköz jelzések fogadására, figyelmeztetésre, a hálózat állapotának kijelzésére vagy egyszerű demonstrációs feladatokra is.
Internetátjáró
A gateway alaplapján helyet kapott NeoCortec modul ad-hoc módon integrálódik a 11-15-16-19 modulok alkotta lokális LPWAN hálózatba. Az okosszenzorok ezt a modult címzik meg és küldik adataikat felé. Az átjáróban működő SAMD21 mikrokontroller folyamatosan olvassa a NC modul soros portját és értelmezi a beérkező üzeneteket, amelyeket dekódolás után megadott időközönként JSON távirattá alakítva a GSM hálózaton keresztül beküld a felhőszolgáltatásba.
Külső mikrovezérlővel szerelt multifunkciós modul
Az eddig ismertetett három szenzormodul tervezésekor az energiafogyasztás minimalizálására törekedtünk és megelégedtünk az NC1000 által biztosított keretekkel. Elképzelhető azonban, hogy a feladat más fizikai jellemzők monitorozását írja elő, esetleg az NC1000 analóg szenzorok kimeneti feszültségét digitális jellé alakító 12 bites felbontású AD átalakítója a szűk keresztmetszet. A feladat maradéktalan megoldását a beépített ARM CORTEX M0+ kis erőforráskészlete nem teszi lehetővé, hiszen azon a Neo.Mesh protokoll is fut. Ekkor lehetőségünk van az előre kialakított helyre egy külső MCU-t beültetni, amelynek külső (nagyobb felbontású ADC-vel ellátott) analóg bemenetein, illetve I2C portján keresztül külső szenzorok csatlakoztatása is megoldható. Ebben az esetben az NC1000 csak egyszerű rádiómodulként üzemel, UART-jára a külső MCU küld parancsokat, és az adatgyűjtést ez az eszköz végzi. Mivel a rendelkezésre álló flash memória és az egyéb erőforrás itt sokkal nagyobbak, nem vagyunk szűk keretek közé szorítva. Természetesen ebben az esetben az energiafogyasztás jelentősen megnőhet, amit majd a szükséges elemüzemidő biztosításához az adási gyakoriság és adáshossz, a mintavételezési idő, az MCU és a perifériák megfelelő hosszúságú alvó állapotának ideális beállítása garantál, amiről a felhasználónak kell gondoskodni.
3. ábra LPLAN-LPWAN (LTE) átjáró felépítése
Neo.Mesh – Internetátjáró
A lokális szenzorhálózatból az ebbe a vezetékmentes hálózatba integrált Internetátjáróra érkező adatokat az előző bekezdésben ismertetett modulok biztosítják. Az éterben áramló adatok AES titkosítással rendelkeznek, a Neo.Mesh kialakítása vezetékes kapcsolat biztonságát megközelítő adatátvitelt nyújt. A jellemzően néhány byte-os adatcsomagok a korábbi cikkekben ismertetett módon modulról modulra lépve jutnak el a kiindulási helyről a célállomásra, amely az Internet-átjárón elhelyezett NC1000 komponens. Ennek az eszköznek a soros portján jelenik meg a többi szenzor üzenete, ezeknek a feldolgozásáról a gateway saját mikrokontrollerén futó firmware gondoskodik.
A gateway-be integrált NC1000 modul UART interfészén megjelenő, a többi modul által küldött adatok formátuma és maga az átjáró felépítése a 3. ábrán követhető nyomon. Az átjáró szoftvere folyamatosan figyeli a soros portot, és ha a mesh hálózat felől adat érkezik azt dekódolja és az ugyanazon csomópontokból érkező adatokat addig átlagolja, amíg azok a felhő felé beküldésre kerülnek. Az előre beállított küldési gyakoriság szerint a szenzorcsomópontok átlagolt értékeit az átjáró JSON formátumú adat telegramként a beállított felhőszolgáltató felé UDP vagy MQTT protokoll szerinti adatkapcsolaton keresztül megküldi, majd a GSM csatornát felszabadítva újra csak a lokális mesh hálózat figyelését végzi. A működést a fedélzeti visszajelző LED segítségével lehet nyomon követni a 4. ábra szerint.
4. ábra A teljes rendszer működés közben
NC1000 NeoCortec WLAN modul
Az NC1000 wireless LAN modul 868 MHz-en működő ad-hoc, mesh hálózatot megvalósító rendkívül kis fogyasztású eszköz, amely többéves elemes táplálást tesz lehetővé a beépített (szintén vezetékmentesen) tölthető akkumulátorról. A Neo.Mesh adottságánál fogva többezer eszköz hálózatba integrálását is lehetővé teszi.
LPWAN vagy LTE CAT-1BIS GSM modul
Az alkalmazási területtől függően vagy alacsony fogyasztású NB-IoT / LTE-M LPWAN modem, vagy ahol a hálózati táplálás megoldott, nagyobb adatátviteli sebességre tervezett CAT-1BIS GSM modem gondoskodik az adatok felhőbe juttatásáról.
Státusz LED (NetLight és RGB)
A firmware két vizuális visszajelző LED használatával könnyíti meg a felhasználók munkáját. A GSM hálózati kommunikációjának monitorozását a NetLight LED végzi, míg a többi működési paraméterről az RGB LED ad felvilágosítást. Piros szín jelzi a Neo.Mesh aktivitását, fehér szín az adatra való várakozást, a kék szín pedig a szenzor adatok GSM kommunikációra való előkészítését és küldését jelenti.
A GSM hálózaton beküldött adatok titkosítatlan (kibontott) formátuma az egyszerű érthetőség kedvéért a következő JSON telegramban tekinthető át:
Az üzenet egyedi azonosítója a GSM modem IMEI száma, az üzenet referenciamezőjében (msgref) információt kapunk mind az átjárón futó szoftver verziószámáról, mind az alkalmazott modul és SIM kártya adatairól. A PAYLOAD mező tartalmazza az egyes szenzorok mért értékeit az Endrich Visual Gateway szolgáltatása által értelmezhető (machine readable) formátumban. Az üzenethez csatolja a rendszer az átjáró GPS/GNSS koordinátáit is.
A teljes rendszert működés közben az őszi inárcsi TECHference és a téli párizsi SIDO kiállításokon és konferenciákon mutatjuk be ebben az évben utoljára a nagyközönségnek.
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:
www.endrich.com
E-IoT átjárók a lokális Neo.Mesh okosszenzor-hálózat illesztésére – 2. rész
E-IoT átjárók a lokális Neo.Mesh okosszenzor-hálózat illesztésére – 1. rész
