Az Endrich GmbH által az Embedded World 2020 kiállításra fejlesztett online szenzorhálózati infrastruktúra minden komponense a cég által képviselt gyártók alkatrészeiből épül fel. Mint az általános felépítésű „Internet of Things”-láncok esetében megszokott, az egyik oldalon itt is különböző fizikai mennyiségek érzékelésére, mérésére alkalmas szenzorok, a másik végponton pedig ezek adatainak vizuális megjelenítésére szolgáló eszközök találhatóak. A köztes elemek természetesen bonyolult hálózati megoldásokat igényelnek, a szenzorok adatait össze kell gyűjteni, azokat megfelelő módon előzetesen fel kell dolgozni és valamilyen kommunikációs csatornán keresztül el kell juttatni egy felhőalapú adatbázisba, ahonnan aztán majd feldolgozás után azok megjeleníthetők, vagy valamilyen célra felhasználhatók.
A komplett infrastruktúrával szemben az iparági elvárások sokrétűek, az eszközök olcsósága, a telepítési és az üzemeltetési költségek minimalizálása, a telepes működtetés sokszor évekre való biztosítása korszerű technológiai erőforrásokat igényel, amit a komponens beszállítók csak komoly támogatási készség és szaktudás mellett képesek kiszolgálni. A mikrovezérlő kiválasztása az első feladat, ezzel szemben az elsődleges elvárás a szenzorok könnyű illeszthetősége miatt fontos nagyszámú kommunikációs interfész (GPIO, I2C, SPI, RS–232, RS–485, CAN, LIN stb.) jelenléte, a kis fogyasztás és a jó szoftverellátottság. Ezeknek a paramétereknek tökéletesen megfelel például a GigaDevice RISC-V architektúrájú mikrokontrollere, melyhez nem szükséges az ARM-licenc megléte, így komoly költségmegtakarítás érhető el anélkül, hogy az a teljesítmény kárára menne. Az elsősorban szigetüzemben használatos IoT-végpontokon az egyetlen lehetőség a lítiumelemes táplálás, mely elváráshoz ez a mikrokontroller-család kis fogyasztásával jól illeszkedik.
GD32V RISC-V és Arm® Cortex® M23 MCU-sorozat
A lap korábbi számában részletesen bemutatott GigaDevice termékújdonságok az Arm® Cortex® M23-alapú és az ARM mikrokontrollerek világán kívül a nyílt forráskódú, RISC-V-alapú GD32V-sorozatú, 32 bites általános célú MCU-család is kiválóan alkalmas IoT-feladatok vezérlésére. A GigaDevice teljes fejlesztőeszköz-támogatást nyújt az MCU chipektől a szoftverkönyvtárakig és a fejlesztőkészletekig, így hozva létre egy erős ARM és RISC-V fejlesztési ökoszisztémát. Az új termékek teljes mértékben szoftver- és lábkiosztás-kompatibilisek a meglévő GD32 MCU-kal. Ez az egyedülálló és innovatív kialakítás felgyorsítja a GD32 Arm® mag köré épült GD32 MCU változatok és az új RISC-V alaptermékeire épülő dizájnok fejlesztési ciklusát, a termékválasztást és a kódhordozást rugalmassá és egyszerűvé téve. Ezeket a termékeket a GigaDevice mérnökei kifejezetten a beágyazott alkalmazások területére szánják, kezdve az ipari vezérléssel, a fogyasztói elektronikán keresztül, a feltörekvő IoT-iparágig, az „edge computing”-tól a mesterséges intelligencia-programozásig. Az alacsony fogyasztást támogató egység kétszintű alvó üzemmóddal biztosítja a készenléti áramfelvétellel és az éledési idővel szemben támasztott elvárások egyensúlyát.
A RISC-V kontroller Bumblebee magját kétlépcsős, változó hosszúságú pipeline-mikroarchitektúra jellemzi, és ezzel az alacsony fogyasztású és költségű megoldással is eléri a hagyományos háromlépcsős pipeline-architektúra teljesítményét és frekvenciáját. Ezek a szolgáltatások lehetővé teszik a GD32VF103 MCU-sorozat számára, hogy akár 153 DMIPS sebességgel működjön a legmagasabb frekvencián, és a CoreMark® teszt során 360 teljesítménypontot érjen el, ami 15%-os teljesítménynövekedést jelent a GD32 Cortex®-M3 maghoz képest.
A másik IoT-célokra fejlesztett család az Arm® Cortex®-M23, mely az Arm® Cortex®-M0 és a Cortex®-M0 + utódja, felépítése a beágyazott mikroprocesszor-magok legújabb Arm®v8-M architektúráján alapul. Megtartja a kompatibilitást az összes Arm®v6-M utasításkészlettel, ami lehetővé teszi a mérnökök számára az egyszerű migrációt Arm® Cortex®-M0 / M0 + processzorokról, melyek azonos frekvenciájához képest a Cortex®-M23 kód végrehajtási hatékonysága 40%-kal (M0), illetve 30%-kal (M0+) magasabb.
Keskenysávú IoT-kommunikációs modulok
Egy korábbi lapszámban részletesen tárgyaltuk az IoT területén alkalmazható adatátviteli technológiákat, melyek közül az egyik legfontosabb terület a GSM-alapú megoldásoké. Ezekről az 1. ábrán adunk áttekintést.
Ma a GSM-alapú megoldások nagy része a 2G-hálózaton működik (lásd lakásriasztók, tűzjelzők stb.), azonban a cellán belül alkalmazható eszközön korlátozott száma, illetve a 2G belátható időn belüli megszűnésének veszélye előtérbe helyez más, kimondottan M2M-megoldásokra alkalmas technológiát. Az egyik legnépszerűbb ilyen megoldás az NB-IoT (keskenysávú IoT – Narrow Band IoT) a jelenlegi LTE-szabvány kiterjesztéseként szolgál, csakúgy, mint a komolyabb adatátviteli igényű M2M-kommunikációra kidolgozott LTE-M (Long Term Evolution for Machines), LTE-CAT-M1. Ez utóbbi jelentősen megnövelt sávszélessége lényegesen nagyobb spektrumszélességet és bonyolultabb, így drágább rádiómodulokat igényel.
Az NB-IoT előnyei és kulcsszavai a lefedettség, a hosszú elemélettartam, az alacsony eszközköltség és a jó beltéri vételi tulajdonságok.
A celluláris hálózatok – így az NB-IoT által használt LTE is – urbánus környezetben kiváló lefedettséget kínálnak, azonban a szenzorok általában külterületen vagy épületek mélyén, esetleg alagsorában helyezkednek el, az itteni gyenge vételi viszonyok miatt a hagyományos GSM (2G) modulok áramfelvétele, így fogyasztása erősen megnőhet. Az NB-IoT a rádióhullámok keskeny vivőfrekvencia-sávszélessége miatti nagyobb energiasűrűsége okán az épületek belsejébe való jobb behatolásra képes, és a gyenge vételi viszonyok esetén ismételt kapcsolatfelvételre is van lehetőség. Mindezért az elérhető alacsonyabb sávszélességgel „fizet” a felhasználó. A hosszú időközönként elküldött kis adatcsomagok kis energiaigényt támasztanak a modul felé, így megvalósul az NB-IoT egyik legnagyobb előnye, a minimális fogyasztás miatti hosszú telepélettartam.
A GPRS/UMTS/LTE (2G/3G/4G) modulok egy sor olyan szolgáltatást támogatnak, melyre IoT eszközök nem tartanak igényt, ilyen a hangkommunikáció, az SMS-szolgáltatás és a szélessávú internet-hozzáférés. Ezek elhagyásával a hardver egyszerűsödik, ami kihat az eszközök árára és a fogyasztás is minimalizálható.
Ahhoz, hogy az NB-IoT technológia használható legyen, néhány dolgot meg kell vizsgálni az eszközzel kapcsolatban:
- A lefedettségi viszonyok lehetővé teszik-e a technológia alkalmazását? (Van-e lefedettség, elegendő-e a térerősség a szenzor elhelyezési pontján?)
- Ellenőrizni kell a forgalmi profilt, hogy mekkora sűrűséggel, milyen mennyiségű adat feltöltésére, illetve letöltésére (parancsok, frissítések) van szükség!
- Ki kell számolni, hogy a fogyasztás alapján várható elemélettartam fedi-e az alkalmazás által támasztott követelményeket, illetve ez alapján kell meghatározni az alkalmazott energiatárolási technológiát (lítiumelem, kapacitás, kisülési karakterisztika)! Amennyiben nagy pillanatnyi áramfelvételek várhatóak (cellakeresés, többszöri kapcsolódásismétlés), érdemes a lítiumelemmel párhuzamosan kapcsolt szuperkondenzátort alkalmazni, ami segít azonnali energiaimpulzussal ellátni a modulunkat, mialatt a lítiumelem depasszivációs folyamata tart.
A fenti tényezők kölcsönhatása miatt általában kompromisszumra van szükség, vagy az elem elvárt élettartamában kell engedményt tenni, vagy drágább, nagyobb méretű tápellátást kell választani.
Fibocom NB-IoT modulok
A fentiek alapján elmondható, hogy a piaci trendek az IoT eszközök ugrásszerű növekedése irányába mutatnak, és ezek kommunikációjára az NB-IoT technológia alkalmazása a következő években megkerülhetetlen lesz. A vezető GSM-szolgáltatók felismerték ezt: sorra vezetik be az NB-IoT-szolgáltatást. Az Endrich beszállítóival közösen hagyományosan komponensoldalról igyekszik ezt a piaci trendet kiszolgálni ezen a területen is.
A Fibocom gyártotta MA510 és N510 modulok ma az Endrich által kínált NB-IoT modemcsalád legnépszerűbb tagjai.
A vadonatúj fejlesztésű Qualcomm MDM9205-alapú MA510-GL LPWA az LTE Cat.M1, LTE Cat.NB2 és EGPRS-hálózatok kombinációjához való csatlakozást teszik lehetővé, és a GPS/ GLONASS/BeiDou/Galileo műholdakkal való együttműködéssel a globális (GNSS) helymeghatározást is támogatja. A modemet alacsony energiafogyasztás jellemzi, kihasználja a keskenysávú IoT-technológia által biztosított kiváló beltéri vétel lehetőségét, így akár az épületen belül is alkalmazható. Ezenfelül az iparági elvárásnak megfelelő extrém alacsony ár új lehetőségeket nyit meg akár urbánus, akár mezőgazdasági alkalmazásokra is. A modulokat elsősorban olyan dizájnhoz érdemes alkalmazni, amelyekben kis adatmennyiséget kis fogyasztás mellett, alacsony adatátviteli sebességgel, de biztonságosan kell továbbítani. Ilyen például az eszközkövetés, az ipari megfigyelés és vezérlés, a biztonsági rendszerek, az intelligens otthon és az intelligens fogyasztásmérés területe. A másik érdekes Fibocom IoT modul az N510 a MediaTek MT2625DP chipseten alapuló első, csak NB-IoT-sávra készült eszköz, mely leginkább az okosmérés, a városi világításvezérlés, az okosparkolás, az okosotthon és okosmezőgazdaság, a tűzvédelem és a hasonló IoT-megoldások területén bizonyulhat hasznosnak, ott, ahol a kis energiafogyasztás, a kis adatmennyiségek megbízható átvitele, a hosszú elem-élettartam és az alacsony költségek az elvárások.
Endrich IoT-infrastruktúra
A szenzoradatok későbbi felhasználásáig való tárolására alkalmazott – általában felhőalapú – adatbázis és a szenzor, valamint az annak kiolvasására alkalmazott elektronika közötti átvitelt a fentiekben bemutatott adatátviteli modulokkal célszerű megvalósítani.
Az Endrich IoT-koncepció ennek a rendszernek a megvalósítására törekszik, többszintű hardver- és szoftvermegoldásokat kínálva partnereinek. A modellezésére és a rendszer kiállításokon és hazai, valamint nemzetközi konferenciákon való bemutatására – első lépcsőként – egy GSM-alapú, keskenysávú kommunikációs modullal felszerelt mikrokontrolleres szenzortáblát (Sensor & Communication Board) és a mögöttes, felhőalapú hálózati infrastruktúrát építettünk fel (Endrich Cloud Database Service).
Az Everlight látható tartományban működő környezeti fényérzékelő szenzorja (Ambient Light Sensor, ALS), a Tateyama hőmérséklet-érzékelő szenzorja (NTC), a TDK-Micronas mágneses (Hall)-szenzorja és a Sensolute miniatűr rezgésszenzorja által szolgáltatott adatokat a Gigadevice új fejlesztésű RISC-V mikrokontrollere gyűjti össze, majd küldi el vezetéknélküli kommunikációs csatornán a szerverre. A kommunikációs csatornát a Fibocom MA510 modulja biztosítja, mely mind az NB-IoT, mind a GPRS-hálózatot képes használni, és UDP-csatornán keresztül eljuttatni az adatokat az azok tárolására – az Endrich partnerei számára – készített Endrich Cloud Database szerverre. (Természetesen nincs szükség fizikailag ekkora panelre a valóságban, ez csak demonstrációs célokra készült.)
Ahhoz, hogy teljes értékű – a fenti megoldással egyenértékű – kompakt megoldást is be tudjunk mutatni, elkészítettük az IoT-végpontunkat Arduino-kiosztással kompatibilis SBC-k kommunikációs pajzsaként is. Ez az eszköz illeszkedik a kereskedelmi forgalomban kapható Arduino Leonardo-lapokhoz, valamint a GigaDevice által kínált Arm® Cortex® M23 és RISC-V kiértékelő készletekhez is, így azok felvértezhetőek az általános IoT-megoldásokhoz szükséges érzékelési és kommunikációs képességekkel is. Az Endrich ezeket a koncepcionális fejlesztéseket nem termékként, hanem platformként kínálja, továbbra is komponensértékesítést folytatunk, kiegészítve a tervezéstámogatással, melyet az áramköri megoldások, a szoftverkódok közreadásával, valamint a termékfejlesztés ideje alatt az ingyenes, felhőalapú adatbázis-támogatással egészítünk ki.
A hardverfejlesztés harmadik állomása egy vadonatúj áramkör elkészítése volt, minden IoT-funkció (szenzorok, mikrovezérlő és kommunikáció) is egy lapra került. Az így létrejött IoT-végpont képes rezgés, mágneses mező jelenlétének érzékelésére, valamint hőmérséklet, légnyomás, magasság és látható fényintenzitás mérésére, felhőalapú adatbázisba való továbbítására a GSM hálózaton keresztül. Az IoT eszköz telepes táplálású, önállóan szigetüzemben működik, és képes a saját GPS-pozíciójának elküldésére is, így alkalmas járművek felépítményeinek (pl. hűtőkamra, kamionraktér) felügyeletére is.
Az adatok megjelenítése akár mobiltelefonon, akár panel PC-n és ipari TFT panelen is lehetséges. Ehhez mindössze egy internetes böngészőprogramra van szükség, hiszen az Endrich Cloud Database-szolgáltatáshoz tartozik egy – a vizuális megjelenítést támogató – webszerver-szolgáltatás is. A fejlesztőmérnököknek szívesen bocsátunk a rendelkezésére a szenzorjaink illesztésére vonatkozó referenciaterveket, segítünk a mikrokontroller programozásában és a megfelelő alkatrészek kiválasztásában is. A fenti demonstrációs eszközök korszerű IoT-technológiákat használnak, és áttekinthető segítségükkel a szenzorok működése, a mikrokontrolleres adatlekérdezés és a vezeték nélküli kommunikáció menete is. Az energiaellátás speciális igényeit korszerű lítiumelemes táplálással is megoldhatjuk, az ehhez szükséges ER és CR elemekkel, tölthető Li-ion akkumulátorokkal, DC/DC konverterekkel és tápegység-IC-kkel kapcsolatos tervezési kérdésekkel is megkereshetnek bennünket, vagy bővebben olvashatnak magyar vagy angol nyelven a cég saját technikai írásokat tartalmazó cikkgyűjteményében a http://electronics-articles.com címen.
Az Endrich Cloud Database Service
Az IoT-megoldásokat fejlesztő mérnökkollégák számára az Endrich nemcsak alkatrészek kiválasztásában és betervezésében nyújt támogatást, hanem, felismerve az igényt, elérhetővé tett egy olyan adatbázis-szolgáltatást, ami a saját felhőalapú szerverrel még nem rendelkező vállalkozásoknak a fejlesztés idejére kínál ingyenes tárhelyet, adminisztrációs felületet kizárólag szenzoradatok strukturált tárolására és későbbi lekérésére. A kommunikáció UPD-csatornán keresztül – előre definiált formátumú adattartalom beküldésével – lehetséges tetszőleges számú IoT-végpont bevonásával.
Bár az Endrich nemzetközi top10-es disztribútorcég és számos országban van jelen kirendeltséggel, a fenti fejlesztésekhez magyar mérnökök szakértelmét vette igénybe. Ezúton is szeretnék köszönetet mondani Veresegyházy Zsolt (Endrich) szoftveres és Kocsis Csaba (Stars’Bridge) hardveres segítségéért és a fejlesztésben való közreműködéséért.
Érdeklődés esetén szívesen tartunk élő bemutatót budapesti irodánkban, kérdéseivel a Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát. címen forduljon a szerzőhöz.
