Mérnökeink kiemelkedő tapasztalattal rendelkeznek az analóg és digitális integráltáramkör-tervezés és a hozzá kapcsolódó szoftverfejlesztés terén. Ennek köszönhetően olyan technológiákat és fejlesztőeszközöket biztosítunk, amelyek drasztikusan felgyorsítják ügyfeleink fejlesztési folyamatát. A kezdeti ötletektől a prototípusgyártáson át a végtermék gyártásáig a teljes fejlesztési folyamatot támogatjuk, minimalizálva ezzel a piacra jutási időt

Mi az az Internet of Things?

Mindannyian szeretnénk garantálni családunk és otthonunk biztonságát. Sokszor sajnos egy tűzeset vagy egy betörés emlékeztet bennünket ennek fontosságára. Rengeteg cég jelent meg a közelmúltban újabb és újabb tűz- és vagyonvédelmi megoldásokkal, illetve kényelmi szolgáltatásokkal az otthoni automatizálás területén. Ezek a rendszerek legtöbbször néhány érzékelőből (az egyszerű ajtónyitás-érzékelőtől kezdve az egészen komplex füstérzékelő szenzorig) és beavatkozóból (pl. izzó, redőnymozgató elektronika stb.) állnak, amelyek valamilyen egyszerű vezeték nélküli technológián keresztül csatlakoznak egy központi átjáróhoz vagy útválasztóhoz. Az átjáró (gateway) feladata, hogy összegyűjtse és lokálisan feldolgozza az adatokat. Akkor beszélünk „Internet of Things"-ről („a dolgok internete" – IoT), ha a gateway ezeket az adatokat elérhetővé teszi az internet, illetve felhőalkalmazások számára. Így akár egy mobileszközről, egy egyszerű mobilapplikáció segítségével is nyomon követhető otthonunk működése, és adott esetben távolról is elindíthatjuk a kerti locsolórendszert, ha úgy ítéljük meg, hogy túl meleg van. Az 1. ábra egy tipikus intelligens otthoni rendszert szemléltet.

A mikrokontroller kiválasztása

Egy beágyazott rendszerekkel foglalkozó mérnöknek egy sor, egymással akár ellentétes követelményt kell átgondolnia az intelligens otthoni rendszerbe illesztett átjáró vagy érzékelő fejlesztése során. Ilyenek például a feldolgozási sebesség, memóriaigény, szabványosítási előírások, energiafogyasztás, a rendszer késleltetése, kommunikációs protokoll, rendszerszegmentálás, titkosítási követelmények, kompatibilitás, jövőbeni továbbfejlesztési lehetőségek és a rendszer ára – hogy csak a legfontosabbakat említsük.

A rendszer-gateway legtöbbször egy set-top-box része (az USA-ban és néhány nyugat-európai országban elterjedt gyakorlat), vagy egy önálló eszköz. Egy tipikus architektúrát mutat a 2. ábra. A rendszer központi eleme nagy valószínűséggel egy ARM Cortex-M, vagy Cortex-A kategóriájú mikrokontroller, kombinálva egy kommunikációs megoldással: rendszerint ethernet, WiFi, ZigBee vagy ISM-sávú sub-GHz vezeték nélküli megoldás.

Az átjárómegoldásokat két kategóriába soroljuk, attól függően, mennyire komplex feladatot végeznek. Egy egyszerű átjáró („thin gateway") csak szenzoros és környezeti adatokat szolgáltat a felhőszolgáltatásoknak etherneten vagy vezeték nélküli kapcsolaton keresztül. Egy egyszerűbb, kisebb memóriával rendelkező, kevésbé költséges Cortex-M MCU (mikrokontroller) is elegendő az eszköz megvalósításához. A thin gateway előnye, hogy az érzékelt adatok feldolgozása, a szenzorok közti intelligencia és a kompatibilitási problémák megoldása is a felhőalkalmazásban kerül megvalósításra. Ebből ered azonban az architektúra hátránya is: hosszú lehet a várakozási idő, amíg a felhőalkalmazás feldolgozza az adatot és válaszként visszaküldi a megfelelő vezérlőutasításokat. (Nem beszélve arról, hogy mi történik internetkapcsolati problémák esetén?)

Erre szolgáltat megoldást a másik véglet, az intelligens átjáró („smart gateway"). Itt maga az eszköz dolgozza fel az adatokat és vezérli a hálózatot valós időben, minimalizálva ezzel a késleltetést. Biztonságos megoldást nyújt arra az esetre is, ha a felhőalkalmazás valamilyen oknál fogva nem elérhető. Ebből kifolyólag az intelligens gateway-alkalmazásoknak igencsak jövőbemutatónak kell lenniük. Senki sem szeretne ma egy olyan vezeték nélküli világítási megoldást vásárolni, amelyhez jövőre egy új gateway-t kell beszereznie.

A hálózati végpontokat (érzékelők és beavatkozók) hasonlóan lehet kategorizálni mikrokontroller-igényeik szempontjából. Az intelligens otthon egy egyszerű hálózati végpontja lehet például egy füstérzékelő vagy egy vezeték nélküli izzó. Az eszközök leggyakoribb rendszerterve a 3. ábrán látható. Az érzékelő vagy beavatkozó tipikusan egy alacsony fogyasztású ARM Cortex-M típusú mikrokontrolleren alapul, mint például a Silicon Labs EFM32 Gecko MCU megoldásai. A kiválasztás legfontosabb szempontjai az energiafogyasztás, a tokozás mérete, valamint az, hogy elegendő számítási kapacitás és memória álljon rendelkezésre egy vezeték nélküli protokoll futtatásához.

Fejlett IoT-hálózati végpontnak tekintjük az intelligens termosztátot (gondoljunk itt egy komplex, öntanuló szabályozási körrel rendelkező, esetleg több vezeték nélküli protokollt is támogató termosztátra), vezeték nélküli kamerát vagy más fogyasztási eszközt, mint például egy mosógépet. Egy általános intelligens végpont rendszerterve a 4. ábrán látható. A rendszer központi vezérlője tipikusan egy erősebb, 32 bites ARM Cortex-M vagy Cortex-A kategóriájú MCU. Rendszerint akár több másodlagos 32 bites Cortex-M kategóriájú vagy 8 bites MCU tehermentesíti a fő processzort olyan feladatok alól, mint például a kapacitív érintésérzékelés. Az is bevett gyakorlat, hogy a segédprocesszor végzi több szenzor jelének kiértékelését, ezáltal csökkentve a teljes rendszer energiafogyasztását Az egyszerűbb mikrokontrollerek komplexitása kisebb (kevesebb tranzisztor szükséges a CPU megvalósításához), és a kisebb memóriaméret jelentősen csökkenti a fogyasztást.

A Silicon Labs új, 8 bites, C8051F97x mikrokontroller-családja tökéletes megoldást jelent kapacitív érintésérzékelésre: átlagfogyasztása kevesebb, mint 1 µA alvó állapotban, amelyből képes érintésérzékelés hatására felébredni. Egyedülálló, 100:1 érzékelési dinamikatartománya lehetővé teszi, hogy kapacitív érintésalapú nyomógomb, csúszka, vagy akár közelítésérzékelő céljára használják. A 4×4 mm-es QFN tokozásnak köszönhetően szinte minden alkalmazásba könnyen betervezhető.

A Silicon Labs EFM32 mikrokontrollerek Peripheral Reflex System (PRS) nevű funkciója jó példa arra, hogyan lehet a rendszer fogyasztását jelentősen csökkenteni. A PRS lehetővé teszi az MCU különböző hardverperifériái közötti interakciót; elsősorban triggeresemények, nem pedig adatátvitel céljából. Segítségével komplex, soklépcsős, periféria-interakciós láncolatot lehet létrehozni úgy, hogy közben a CPU alvó állapotban marad. A PRS működését egy példán keresztül lehet a legjobban szemléltetni: használatával egy feszültségküszöb átlépésének hatására a komparátor el tud indítani egy időzítőt (timer), hogy az lefelé számoljon. Amint a timer eléri a nullát, a digital-analóg konverter elkezdi szolgáltatni a kimenőjelét – mindezt úgy, hogy közben a CPU folyamatosan alvó állapotban van. Ezen túlmenően bizonyos perifériák (például szenzorinterfészek vagy az impulzusszámláló) képesek a CPU-t felébreszteni alvó állapotából, előre programozott események bekövetkeztének hatására: például, ha az impulzusszámláló 10 impulzust érzékelt. Ennek az az előnye, hogy amikor a CPU az elő­re programozott események hatására felébred, pontosan tudja, mi a teendője. Nem kell feltételeket, számlálókat vagy változókat vizsgálnia – ezzel is elősegítve a fogyasztásnak és a program komplexitásának csökkentését.

Gyakori kérdések IoT-alkalmazások mikrokontrollereinek kiválasztása során, hogy: „Mikor használjak 8 bites vagy 32 bites mikrokontrollert a hálózati végponthoz?", vagy: „Miért ne tervezzek be egy modern, 32 bites ARM Cortex-M mikrokontrollert, amely támogatja a megnövekedett memóriakövetelményeimet, natív, 32 bites aritmetikai támogatása van, és fejlett perifériákkal rendelkezik?"

A legtöbb teljesítményintenzív IoT-alkalmazáshoz természetesen a 32 bites MCU a helyes választás, főleg, ha a portolhatóság és a platform jövőbeni újrahasznosítása fontos szempont. Ám vannak olyan hálózati végpontok, ahol fontos a lehető legkisebb fizikai méret. Az is gyakori, hogy csak egy nagyon egyszerű, vezeték nélküli protokollt kell futtatni, vagy egy egyszerű kapacitív érintésérzékelést kell megvalósítani. Ezekben az esetekben tökéletes választás egy erre a célra optimalizált, 8 bites mikrokontroller.

Gyakori félreértés a 8 bites architektúrákkal kapcsolatban, hogy az elérhető kódsűrűség alacsony. A valóságban ez csak akkor igaz, ha 16- vagy 32 bites aritmetikai műveleteket kell végrehajtaniuk. A Thumb-2 utasításkészlet – egyesítve a 32 bites ARM utasításkészletet a 16 bites Thumb utasításkészlettel – flexibilis megoldást nyújt mind a nyersteljesítmény, mind a kódméret tekintetében. Egy tipikus Thumb-2 alkalmazás Cortex-M architektúrán futtatva átlagosan 25%-kal kisebb és 90%-kal hatékonyabb kódot eredményez (futásidőre optimalizálva), összevetve azzal, ha az alkalmazást teljes egészében ARM utasításkészlet felhasználásával írták volna. Példaként egy 16 bites szorzás különböző platformokon történő megvalósítását szemlélteti az 5. ábra. Az utasítás végrehajtása egy 8 bites, 8051 alapú mikrokontrolleren 48 órajelciklust és 48 bájt kódméretet eredményez. Mindez egy 16 bites magot feltételezve (például C166) 8 órajelciklust és 8 bájt kódméretet kíván. Kontrasztként mindez egy órajelciklus alatt végrehajtódik és csupán 2 bájt FLASH-területet igényel, hogyha Thumb-2 utasítást használunk egy Cortex-M3 platformon.

Ám olyan vezérlő-, adatgyűjtő alkalmazások, amelyeket tipikusan a segédprocesszorokban implementálnak, nem eredményeznek alacsony kódsűrűséget. Éppen ellenkezőleg: a 8 bites mikrokontrollerek alacsony overhead-kódmérete miatt a vezérlő típusú alkalmazások optimálisabb kódot eredményeznek 8 bites platformon, összevetve ugyanazon funkció 32 bites implementációjával.

Ugyancsak általános félreértés kering a 8 és 32 bites mikrokontrollerek árazásáról. A 32 bites architektúrának és perifériáinak implementálása jóval több tranzisztort és logikai kaput igényel, összevetve egy 8 bites mikrokontrollerrel. Ez természetesen jóval nagyobb lapkaméretet eredményez, ugyanazt a szilíciumtechnológiát feltételezve mindkét megoldáshoz. Bár a technológiai csíkszélesség csökkentésével zsugorodik a digitális áramköri részek (ami tipikusan a fele egy MCU implementációnak) méretkövetelménye, de ez hatványozottan megnöveli az előállítás költségét.

A vezeték nélküli kommunikációs megoldás kiválasztása

A vezeték nélküli kommunikációs protokoll kiválasztásánál figyelembe kell vennünk az elérni kívánt energiafogyasztást, hatótávolságot, az átvitelre szánt adatmennyiséget, a hálózat topológiáját és a végtermék irányárát. A leggyakoribb megvalósítások egyedi ISM-sávú sub-GHz protokollt, ZigBee-, Bluetooth- vagy WiFi-összeköttetést használnak. Ezek közül a sub-GHz protokoll és a Bluetooth a legáltalánosabban elfogadott megoldás intelligens otthoni rendszerekben. Ezek a protokollok hatékony energiafogyasztással rendelkeznek, így biztosítva a kívánt elemélettartamot (tipikusan 3–5 évre méretezik a gyártók az eszközöket). Elengedő hatótávolságot biztosítanak ahhoz, hogy a különböző hálózati végpontokat könnyen lehessen telepíteni egy családi ház bármely eldugott pontjára anélkül, hogy gyakran kellene elemet cserélni az eszközökben.

A végfelhasználók gyakran használnak okostelefont vagy tabletet az intelligens otthon vezérlésére és monitorozására. A Bluetooth egyszerű pont-pont összeköttetést biztosít ehhez, akár egyéb infrastruktúra kiépítése nélkül is. A nagy adatmennyiség átvitelét megkívánó alkalmazások (például vezeték nélküli kamera) elsősorban WiFi-alapú összeköttetést használnak. Elhanyagolható adatmennyiség és jóval kisebb adatsebesség esetén ideális megoldás lehet egy szabványosított protokoll, a ZigBee használata, amely lehetővé teszi autonóm, öntanuló, kiterjedt szenzorhálózatok megvalósítását.

Sub-GHz vezeték nélküli megoldások

A sub-GHz csillag-, vagy egyszerű mesh-topológiájú hálózatok méretkritikus végpontjaihoz egy egyszerű, kis tokozású, ultra energiatakarékos, 8 bites mikrokontroller és ISM-sávú rádió (vagy ezek egy tokban történő integrációja, egy SoC) szolgáltathatja a legjobb ár-érték arányú megoldást. A hatótávolság egy olyan terület, ahol az ISM-sávú sub-GHz rádiók magasan a mezőny fölé emelkednek. Keskenysávú alkalmazások akár kilométeres távolságot is képesek áthidalni két eszköz között. Ám a subGHz protokollok nem mindig nyújtanak optimális megoldást az intelligens otthoni alkalmazások számára. A legtöbb létező megoldás zárt rendszernek tekinthető, hiszen egy egyedi protokollt használ. Ezen rendszerek csak úgy kapcsolhatók más rendszerekhez vagy felhőalkalmazásokhoz, ha olyan intelligens átjátszóállomásokat iktatunk be, amelyek megértik az összes egyedi protokollt, és képesek átkonvertálni a hasznos információt a protokollok között. Ezek az eszközök megnövelik a rendszer komplexitását, még akkor is, ha a sub-GHz protokoll lenne a leg­optimálisabb egy intelligens otthoni alkalmazáshoz mind fogyasztás, mind pedig a hálózati végpontok ára szempontjából.

Elemes táplálású, vezeték nélküli termék fejlesztése során a következő paramétereket kell figyelembe vennie a mérnököknek az optimális elemélettartam elérése céljából: alvó állapotban történő fogyasztás, alvó állapotból vétel- vagy adásállapotába történő átmenethez szükséges energia, valamint az aktív állapot gyakorisága. A Silicon Labs nagy teljesítményű Si446x sub-GHz adó-vevő rádiói mindössze 50 nA-t fogyasztanak alvó állapotban, és 440 µs alatt képesek alvó állapotból adó- vagy vevőállapotba váltani. Az egyik legkritikusabb paraméter az alvó és vételi üzemmód megfelelő arányának megválasztása. Az Si446x rádiók önműködő, mikrokontroller-interakciót nem igénylő „low duty cycle" technológiája ebben segíti az energiahatékonyság további optimalizálását: a rádió megadott periódusidővel automatikusan ébred fel és vált vételi üzemmódra, majd megvizsgálja a csatornát, hogy küld-e valaki csomagot. A rádió csak akkor ébreszti fel a mikrokontrollert, ha a csomagot sikeresen levette és feldolgozta. Ellenkező esetben automatikusan visszamegy alvó állapotba. A rádió egy úgynevezett „preamble detect" (a preamble egy tréningszekvencia a rádiós adatcsomag elején) technológiát használ annak eldöntésére, hogy érkezik-e csomag a csatornában. Ez a technológia garantálja, hogy a vevő rövid idő alatt és tökéletes biztonsággal meg tudja állapítani, hogy a csomagot neki küldték-e. A Preamble Detect csak akkor dönt pozitívan, ha a vett adatfolyam modulációs formája megegyezik az elvárt modulációs formával. Ez a módszer drasztikusan csökkenti az átlagfogyasztást olyan alkalmazásokhoz képest, ahol az általános, bevett módszert alkalmazzák, és a csatornában mért térerősség (Received Signal Strength Indicator — RSSI) alapján hozzák meg a döntést. Ugyanis magas RSSI-t mérünk akkor is, ha zavarjel van a csatornában, így fölöslegesen ébresztjük fel az MCU-t és növeljük a rendszer átlagfogyasztását.

Az elemes táplálású vezeték nélküli eszközök idejük legnagyobb részét alvó üzemmódban töltik, és csak nagyon ritkán ébrednek fel megvizsgálni, jön-e csomag számukra. Ezeknek a periodikus működésű eszközöknek az átlag energiafogyasztását gyakorlatilag két paraméter dominálja: az energia, ami ahhoz szükséges, hogy alvó állapotból vételi üzemmódba váltsanak, valamint az az idő, ami alatt megvizsgálják a csatornát, hogy jön-e csomag (lásd 6. ábra). Az innovatív DSA érzékelési technológia (Digital Signal Arrival – digitális jel érkezése) a Silicon Labs új Si446x adó-vevő rádióiban drasztikusan csökkenti a csatorna vizsgálat idejét. Ezek a rádiók 8 bit preamble alapján el tudják dönteni a csomag létét, szemben a tipikus adóvevők minimum 32 bites követelményével.

ZigBee

A ZigBee egy szabványosított, vezeték nélküli protokoll, amelynek első verzióját 2004-ben szabványosították. Kifejezetten alacsony fogyasztású, mesh-topológiájú hálózati protokoll, amely széles körben elterjedt intelligens otthoni és ipari alkalmazásokban. Számos előnye közül kiemelkedő a mesh-hálózat megbízhatósága, skálázhatósága és önjavító képessége.

Egy sor alkalmazási profilt hoztak létre a ZigBee-szabványon belül. Ezek kereskedelmi és ipari eszközök és azok kommunikációs elvei és módszerei széles skáláját írják le szabványos formában. Az alkalmazási profilokat szervezetbe tömörült vállalatok fejlesztették ki, garantálva a termékek, valamint a versengő, integrált áramkört gyártó vállalatok egészséges ökoszisztémáját. Az alkalmazásprofilok nagyban csökkentik a komplexitást és a végtermék fejlesztéséhez szükséges időt.

ZigBee-alapú mesh-hálózatok fejlesztéséhez a legjobb választás a Silicon Labs EM35x vagy EM358x Ember ZigBee SoC áramkörök, beépített ARM Cortex-M3 mikrokontrollerrel, főleg, ha a rendelkezésre álló nyomtatott áramköri terület korlátozott. A piacvezető EmberZNet PRO ZigBee kompatibilis protokoll, a beépített, hardverperiféria által támogatott hálózati szintű hibakeresési szolgáltatás, valamint az intuitív számítógépes grafikus interfész garantálja a lehető leggyorsabb végtermékfejlesztést és piaci bevezetést.

A Silicon Labs Budapesten

A budapesti integráltáramkör-tervező, valamint RF hardver- és szoftveralkalmazásokat fejlesztő mérnökcsapatunk meghatározó és dinamikusan fejlődő része az austini (Texas) központú Silicon Labs globális szervezetének. Power Over Ethernet integrált áramkörök tervezését és terméktámogatását, valamint vezeték nélküli megoldások hardver- és szoftverfejlesztését és ezen megoldások nemzetközi terméktámogatását is végezzük a budapesti fejlesztőirodában.

A Silicon Laboratories Hungary Kft. honlapja