A jelenlét-érzékeléstől a létfontosságú érzékelésig

IoT-megoldások gyors fejlesztése

A dolgok internete (IoT) egyre nagyobb teret hódít. Az intelligens eszközök révén tapasztalhatók a technológia előnyei, amelyek segítenek hozzáadott értéket teremteni az emberek számára, és növelik a termelékenységet az iparban. Az IoT azonban számos kihívást is jelent, például az új technológiákkal való munka összetettsége, valamint az okos döntések meghozatalához szükséges adatgyűjtés és -feldolgozás által. Más szóval, kihívást jelent a termékjellemzők rendszermegoldásokká alakítása, amire az Infineon azzal válaszol, hogy a XENSIV™ csatlakoztatott érzékelőkészleten alapuló, azonnal telepíthető megoldásokat kínál, például egy prototípus-készítő platformot, amely egyszerűsíti és felgyorsítja az új alkalmazások és innovatív felhasználási esetek fejlesztését.

Bár a tárgyak internetét (Internet of Things, IoT) sokféleképpen lehet definiálni, a leggyakrabban az internetre csatlakoztatott „dolgok” hálózataként említik. A „dolgok” érzékelőkkel, működtetőkkel, feldolgozási képességekkel és csatlakoztathatósággal felszerelt fizikai tárgyak. Az IoT világát benépesítő eszközöket gyakran „intelligensnek” nevezik. Az intelligens rész nagyrészt az összegyűjtött és értelmezett érzékelőadatok eredménye lehet, amelyeket cselekvések indítására használnak. Ahhoz, hogy az eszközök kölcsönhatásba léphessenek egymással, adatokat cserélhessenek a hálózaton belül, és távolról vezérelhetők legyenek, internet- vagy felhőkapcsolatra van szükség. Ily módon az IoT-technológiák segíthetnek a társadalmi kihívások kezelésében, az emberek számára előnyökkel járhatnak, és növelhetik a termelékenységet az iparban.
Már több milliárd csatlakoztatott eszköz van használatban a világon, és ez a szám a jövőben várhatóan folyamatosan nőni fog (1a. ábra). Az IoT-infrastruktúra az intelligens otthonok piacnövekedésének egyik legjelentősebb hajtóereje. A Statista szerint az otthonainkat benépesítő intelligens eszközök száma 2027-re globálisan megduplázódik (1b. ábra).

1a. ábra Az IoT-hez csatlakoztatott eszközök száma világszerte 2019–2030 között (milliárdokban)

1b. ábra Az okosotthon-elemzésben szereplő összes terméktípus a közeljövőben hatalmas növekedésre készül

Az IoT erejének felszabadítása

Minden IoT-megoldás középpontjában a mikroelektronika található: érzékelők, aktuátorok, mikrovezérlők (MCU), kommunikációs modulok és biztonsági alkatrészek. Ezek az összetevők lehetővé teszik a rendszer számára a releváns környezeti adatok mérését és feldolgozását, valamint az internethez való csatlakozást. Egy sikeres IoT-eszköz felépítéséhez azonban nem elegendő a fizikai modulokhoz való hozzáférés. Ezeket gyorsan és hatékonyan kell hálózatba integrálni, nagy mennyiségű adatot intelligens módon feldolgozni, valamint stabil és biztonságos kapcsolatot kell kialakítani a felhővel.
Az Infineon az ilyen alapvető kihívások leküzdésére és a fejlesztés további felgyorsítására egy olyan dedikált fejlesztési platformot kínál, amely lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy gyorsan, egyszerűen és biztonságosan valósítsák meg IoT-ötleteiket. A XENSIV™ csatlakoztatott érzékelőkészlet (CSK) az Infineon első IoT-érzékelőplatformja (2. ábra), amely az Infineon radar-, környezeti és egyéb érzékelőin alapuló gyors prototípusgyártást és fejlesztést tesz lehetővé. Azok az ügyfelek, akik gyorsan szeretnének IoT-megoldásokat tervezni és telepíteni, hozzáférhetnek az Infineon mindenre kiterjedő fejlesztési ökoszisztémájához, amely átfogó érzékelőkönyvtárakat és alkalmazási kódpéldákat tartalmaz az érzékelő- és csatlakoztathatósági felhasználási esetekhez. Mindezek a funkciók lehetővé teszik az ügyfelek számára, hogy jelentősen lerövidítsék az időt a koncepció bizonyításától a teljesen kidolgozott IoT-tervezésig az intelligens otthoni vagy intelligens épületalkalmazások számára.

2. ábra Az Infineon XENSIV™ csatlakoztatott érzékelőkészlete (CSK), amely XENSIV™ BGT60TR13C radarral és XENSIV™ PAS CO₂-érzékelővel van felszerelve. További információért látogasson el a www.infineon.com/connectedsensorkit oldalra

Az Infineon IoT-platform felépítése

A XENSIV™ csatlakoztatott érzékelőkészlet (CSK) négy alapvető építőelemet tartalmaz (3. ábra):

3. ábra Az Infineon XENSIV™ csatlakoztatott érzékelőkészletének összetevői

 
Érzékelés: Az érzékelők az IoT-eszközöket emberi érzékszervekkel látják el, és ezáltal helyzetfelismerést építenek ki. Az Infineon széles érzékelőportfóliója közül a XENSIV™ DPS368 légnyomás, a XENSIV™ BGT60TR13C 60 GHz-es radar és a XENSIV™ PAS CO₂-érzékelőt már tartalmazza a CSK. További szenzormegvalósítások egy későbbi időpontban kerülnek hozzáadásra. Az érzékelőelemek egy referenciakialakításban szerepelnek, beleértve az összes szükséges alkatrészt, például feszültségszabályozókat, feszültségátalakítókat és oszcillátorokat. Ez jelentős időt és erőforrást takarít meg a tervezési és tesztelési szakaszokban, csökkentve a műszaki kockázatokat és a darabjegyzékköltségeket.
Számítás: az MCU-k feldolgozzák a megszerzett adatokat, döntéseket hoznak, és koordinálják az eszköz kommunikációját. Az IoT-térben az MCU-kra vonatkozó követelmények ugyanolyan sokfélék, mint maguk az IoT-alkalmazások. A CSK tartalmazza a PSoC™ 62-t, egy kis fogyasztású és nagy teljesítményű 32 bites Arm^® MCU-t, amelyet kifejezetten az IoT-hez terveztek. Az alkalmazáskód-példák a ModusToolbox™ szoftverkörnyezeten keresztül érhetők el, hogy megkönnyítsék a PSoC feldolgozó platformon történő kiértékelést és fejlesztést. A kódpéldák három különálló réteget kínálnak: az alaplap-támogatási csomagot (BSP), amely tartalmazza az óra, a perifériák és a referenciakártya érintkezőinek konfigurációs utasításait; az érzékelő-illesztőprogramot, amely tartalmazza a XENSIV™ érzékelőkkel való interfész funkcióit; és az algoritmusréteget, amely magában foglalja a teljes jelfeldolgozási láncot az érzékelő nyers adataitól a feldolgozott alkalmazás kimenetéig.
Csatlakozás: Ahhoz, hogy az eszközök kommunikáljanak egymással és a felhővel, a moduloknak csatlakozniuk kell az IoT-hez. A kis méretű IoT-tervek számára az Infineon CSK az AIROC™ kapcsolódási kombinált modult kínálja, amely egylapkás megoldásban integrálja a kétsávos 2,4 GHz-es és 5 GHz-es Wi-Fi 4-et (802.11n) és a Bluetooth^® 5.0-t. A szoftvereszközök tekintetében az MQTT kliens implementációját a CSK segítségével mutatjuk be. Az MQTT egy nyílt forráskódú előfizetéses kommunikációs protokoll, amely nagyon népszerű az IoT-ben, mivel több platformon is használható, miközben minimális a sávszélességigénye. Az ügyfél és az előfizető térben szétválasztott. Az ügyfél csatlakozik a konfigurált MQTT brókerhez: az ügyfél üzeneteket küld (mint közzétevő) az érzékelőesemények kommunikálására, és üzeneteket fogad (mint előfizető) a brókertől. A felhasználónak nem kell tanúsítványokat és kulcsokat generálnia az ügyfél azonosításához; az Infineon gondoskodik erről.
Biztonság: A biztonság alapvető fontosságú az IoT számára, mert csak a beágyazott rendszerek megfelelő biztonságával és adatvédelemmel lehet megteremteni az IoT lehetőségeinek bővítéséhez és teljes körű feltárásához szükséges bizalmat. Az Infineon OPTIGA™ Trust M ideális megoldást kínál a beágyazott biztonsági megoldásokhoz és a biztonságos mobilkapcsolathoz a CSK használatakor. Az OPTIGA™ Trust M beállítás futtatása során kihasználhatja a biztonsági chippel való interakcióhoz dedikált API-t megvalósító gazdakönyvtár előnyeit, valamint az olyan példaértékű alkalmazásokat, mint a kölcsönös hitelesítés, a biztonságos kommunikáció, az adattároló védelme és a biztonságos OTA-szoftverfrissítések.

CSK felhasználási esetek

Az adatok gyűjtésének, feldolgozásának és értelmezésének képessége, párosulva a más eszközökkel való kommunikáció és összekapcsolódás képességével, hatékony eszközzé válik az energiafogyasztás csökkentésére, a biztonság növelésére többféle környezetben, sőt a mindennapi életünk kényelmesebbé tételére.
Az okoseszközök egyik nagyon keresett funkciója például a jelenlét-érzékelés, amely jelzi, ha egy emberi célpont a közelben van. A világítás, a hangosítás, a fűtés, a hűtés, a szellőztetés és a beléptető rendszerek mind hasznot húzhatnak az ilyen információkból, és időben aktiválhatók, növelve a felhasználói kényelmet, ugyanakkor energiát is megtakarítva. Az Infineon nagy érzékenységű radaralapú jelenléti megoldása nemcsak a makromozgások, hanem a mikromozgások észlelésére is képes. A felhasználó és az eszközök közötti interakció spontánabbá válik, mivel a felhasználónak többé nem kell az érzékelőelem előtt integetnie a reakció érdekében. Az érzékelők integrálása és az algoritmusok fejlesztése komoly kihívást jelent, de ebben az Infineon CSK-ja segíthet, mivel referenciatervet és azonnal bevethető alkalmazási esetet kínál a jelenlét-érzékeléshez.
Egy másik felhasználási eset az egészségügyben és az egészségvédelemben található: az Infineon XENSIV™ 60 GHz-es radarérzékelője képes érzékelni az emberi mellkas szív-légzési tevékenység által kiváltott finom mozgásait. Az Infineon radarmegoldása garantálja a légzés és a szívverés folyamatos monitorozását, anélkül, hogy a felhasználóval közvetlen érintkezésbe kellene lépnie, vagy adatvédelmi szempontból érzékeny információkat kellene rögzíteni. A folyamatos életjelkövetés felhasználható egészségtudatosságunk növelésére, de azt is lehetővé teheti az egészségügyi szakemberek számára, hogy tanulmányozzák, hogyan korrelálnak a létfontosságú jelek az életkorral, a nemmel és az életmódbeli szokásokkal. A megoldás időben tájékoztatást ad a különböző népességcsoportok egészségi állapotáról és jólétéről: az idősek otthonukban folyamatosan megfigyelhetők, ami potenciálisan csökkenti a kórházak és az orvosi rendelők látogatásának számát.
A csecsemők egyik napról a másikra megfigyelhetők, ami kényelmet és megnyugvást jelent a szülőknek, akiknek nem kell állandóan a bölcsőde vagy az óvoda közelében tartózkodniuk.

4. ábra Példák a XENSIV™ csatlakoztatott érzékelőkészlet által lehetővé tett innovatív felhasználási esetekre

 
Ha a CSK XENSIV™ PAS CO₂ érzékelővel van összekapcsolva, akkor a levegőminőség folyamatos figyelése lehetséges. A rossz szellőzés alacsonyabb oxigénszintet és szén-dioxid (CO₂) -felhalmozódást eredményezhet. Még a mérsékelt CO₂-szint is negatív hatással lehet az egészségre és a termelékenységre: már 1000 ppm-nél az emberek álmosságot tapasztalnak és koncentrálási nehézségeik vannak. Mindenképpen jó, ha a CO₂-érzékelő azonnal figyelmeztet, amint a helyiség levegőjének minősége romlik. A csatlakoztatott világban rejlő lehetőségek teljes kihasználása érdekében azonban a CO₂-érzékelőtől elvárható, hogy olyan figyelmeztetést küldjön az automatizálási rendszernek, amely a szellőzőrendszer szabályozásával vagy az ablakok automatikus kinyitásával reagál. A valós idejű CO₂-figyelő rendszerekkel felszerelt intelligens otthonok a jobb levegőminőségből és a nagyobb kényelemből profitálhatnak az igény szerint szabályozott szellőzőrendszereknek, légtisztítóknak és termosztátoknak köszönhetően. Az egyik szempont, amelyet figyelembe kell venni, a hatalmas energiamegtakarítási lehetőség, mivel a csatlakoztatott eszközök csak akkor aktívak, ha a felhasználó hatótávolságon belül van. Az EU energiafogyasztásának körülbelül 50%-a az épületek és az ipar fűtési és hűtési rendszereinek tulajdonítható. Az Infineon CO₂-érzékelőjével felszerelt szellőztetőrendszer az energiafogyasztás akár 55%-át is megtakaríthatja. A hatás még nagyobb, ha az épületek emellett intelligens termosztátokkal és épületautomatizálási rendszerekkel vannak felszerelve. E felhasználási esetek közül néhányat (4. ábra) a CSK-ban már megvalósítottak, mint üzembe helyezésre kész IoT-megoldásokat. Az Infineon IoT fejlesztői platformja azonban készen áll az új felhasználási esetekre: a mérnökök egyszerűen felhasználhatják a rendelkezésre álló kódpéldákat a számtalan jövőbeli alkalmazás felfedezéséhez, hogy a felhasználóknak nagyobb kényelmet és komfortot nyújtsanak, miközben környezetbarátabbá válnak.

Következtetés

A megbízható intelligens megoldások kifejlesztéséhez több komponensnek kell jól együttműködnie – ez igazi kihívás a mérnökök számára, különösen a gyártók hatalmas választékát és az egyes komponensek elsajátításához szükséges mélyreható ismereteket tekintve. A vezeték nélküli és a beágyazott rendszerek kölcsönhatása nem hagyható figyelmen kívül, ahogy a biztonság, a felhő­integráció és az energiagazdálkodás sem. Emellett a környezeti adatokat is be kell gyűjteni, össze kell vonni és fel kell dolgozni, hogy szabályozni lehessen a csatlakoztatott eszközök viselkedését és reakcióit. Mindezen kihívások kezelése időigényes és jelentős szakértelmet igényel.

5. ábra XENSIV™ csatlakoztatott érzékelőkészlet szoftvercsomagja a ModusToolbox™-ban

 
Az IoT-eszközök fejlesztése felgyorsítható az Infineon XENSIV™ csatlakoztatott szenzorkészletével: a készlet nemcsak pontos és sokrétű adatok gyűjtését teszi lehetővé, hanem a helyzetfelismerést is jól hasznosítja.

Szerző: Alessandra Fusco – Rendszeralkalmazási mérnök, Infineon Technologies

Az EBV Elektronik – mint vezető félvezető-forgalmazó Európában – széles gyártói portfóliójából a legújabb alkatrészek és félvezető-megoldások teljes és folyamatos ellátását garantálja. Vegye fel a kapcsolatot az EBV technológiai és piaci szakértőivel, hogy az alkalmazásaihoz az optimális megoldást választhassa!

Több mint disztribúció – EBV Elektronik!

Farkas Szabolcs
EBV Elektronik Kft.
1117 Budapest, Budafoki út 91–93.
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.ebv.com