Esineiden internet perustuu usein paristokäyttöisiin laitteisiin, jotka osaavat kerätä tarvitsemansa energian ympäristöstään. Tähän on olemassa jo koko joukko pitkälle valmiita, modulaarisia alustoja, kuten ON Semiconductorin IDK.

Esineiden internetin toteuttaminen kasvattaa suosiotaan anturitekniikan uuden teknisen kehityksen ja nousevien tietoliikenneprotokollien ansiosta, jotka auttavat vauhdittamaan sen yleistymistä. IoT:n monialainen luonne vaatii laajaa osaamisvalikoimaa, joka voi olla haastavaa sellaisille organisaatioille, joilla on rajoittuneet resurssit tai kokemus laitteiden liittämisestä pilveen. Akunkesto ja laitteiden itsenäisyys voi olla toinen haaste, kun yritetään varmistaa IoT:n nopeaa käyttöönottoa eri liiketoiminta-alueilla.

IoT-solmut verkon reunalla, jossa datankeruu ja/tai aktuaattorien toiminta tapahtuu, ovat usein paristokäyttöisiä. Paristojen jatkuvan vaihtamisen epäkäytännöllisyys ja sen ylläpitokustannus estää monien IoT-sovellusten käytön. Etäisissä paikoissa sijaitsevat solmut entisestään pahentavat tätä ongelmaa.

IoT:n potentiaalisille käyttäjille ja ratkaisujen toimittajille onkin keskeistä ymmärtää liitäntätekniikat, jotka tuovat hyötysuhteeltaan tehokkaan toiminnan, kuten Bluetooth Low Energy eli BLE tai LWAN-tekniikat (Low Power Wide Area Network). Lisäksi innovatiiviset paristottomat anturit kuten ON Semiconductorin SPS-anturit (Smart Passive Sensors), jotka toimivat keräämällä UHF RF -energiaa, eliminoivat kaikki huolet paristojen elinkaaren hallinnan osalta. Ne mahdollistavat huoltovapaan toiminnan ja monitoroinnin myös hankalasti saavutettavissa kohteissa.

BLE-ekosysteemi

Bluetooth Low Energy -tekniikka on yksi suosituimpia tietoliikenneprotokollia älykodeissa, rakennusautomaatiossa, älykkäässä vähittäiskaupassa, digitaalisessa terveydenhuollossa ja muilla IoT-alueilla. Bluetooth on mukana lähes kaikissa älypuhelimissa ja tableteissa, ja protokollan parannukset tekevät siitä ihanteellisen käytettäväksi IoT-verkkojen reunalla.

BLE toi markkinoille idean pienten datapakettien lähettämisestä ja sen jälkeen unitilaan siirtymisestä, mikä pienentää dramaattisesti kokonaistehonkulutusta. Tämä toimintatapa on ihanteellinen anturisolmuissa, joissa jatkuvat datastriimit ovat tarpeettomia. Yhteydettömällä mallillaan, leveämpien kanavien, lyhyempien pakettien ja yksinkertaisemman ohjelmistopinon ansiosta BLE on saatu optimoitua energiatehokkuuden suhteen. IoT-paradigmaa edelleen auttaakseen tekniikkaan on tuotu uusia topologioita kuten broadcast, mesh ja vahvempia tietoturvaominaisuuksia kuten ”Man in the Middle” -suojaus ja AES-128 -salaus.

Viimeisin päivitys - Bluetooth 5 – oli iso askel eteenpäin IoT-toiminnallisuudessa ja suorituskyvyssä. Bluetooth 5 kasvattaa linkin huippudatanopeuden kahteen megabittiin sekunnissa ja kantaman 4-kertaiseksi, jolloin se yltää teoriassa jopa 300 metriin. IoT-sovellusten kannalta erityisen mielenkiintoista on kyky konfiguroida Bluetooth 5 -verkko mesh-tyyppiseksi sen sijaan, että verkossa tarvittaisiin keskeinen hubi tai reititin. Tämä kasvattaa mahdollista verkon kokoa ja peittoa dramaattisesti ja tekee verkosta paremmin pystyssä pysyvän.

On Semiconductorin Bluetooth 5 -sertifioidun SoC-moniprotokollapiirin RSL10:n unitilan ja vastaanoton tehonkulutus ovat alan alhaisimmat, joten se on ihanteellinen paristokäyttöisiin BLE-sovelluksiin. Sulautettujen laitteiden standardissa ULPMark-testissä (https://www.eembc.org/ulpmark/index.php) piiri kirjasi vaikuttavasti yli 1000 pisteen lukeman. Cortex-M3 -ydin yhdessä 32-bittisen vähävirtaisen DSP-ytimen kanssa, laajalla syöttöjännitealueella, sulautetulla Flash-muistilla ja ultrapienellä koteloinnilla RSL10 tuo suunnittelijan käyttöön joustavuutta.

Älykkäät passiiviset anturit avaavat uusia IoT-mahdollisuuksia

On Semiconductorin SPS-tekniikka on täysin langaton sekä datan että minimaalisen tarvittavan virrantarpeen suhteen, joten se laajentaa edelleen ultravähävirtaisen toiminnan ja käyttömukavuuden konseptia.

Kuva 1: SPS-teknologia on täysin paristototon ja langaton.

SPS-tagit voivat monitoroida ympäristöparametreja kuten lämpötilaa, painetta ja kosteutta, jotka ovat tärkeitä monissa IoT-sovelluksissa. Ne sisältävät ultraohuen IC-piirin, joka hallitsee virransyöttöä, RF-liitäntää ja anturitoimintoja ilman, että näihin tarvitaan mikro-ohjainta. Nämä laitteet keräävät tarvitsemansa virran UHF-alueen RF-signaaleista, joten niiden toiminta edellyttää vain sitä, että RF-lukija tuodaan tagin lähelle.

Pienen kokonsa ansiosta edulliset SPS-tagit lupaavat mullistaa koko IoT:n mahdollistamalla anturoinnin aiemmin vaikeapääsyisillä alueilla. Ne ovat erityisen käyttökelpoisia alueilla, joilla paristokäyttö ja niiden vaihtaminen on epäkäytännöllistä, kuten esimerkiksi seiniin tai lattioihin integroituina.

Kuva 2: SPS-teknologia mahdollistaa aivan uuden lähestymistavan IoT-anturointiin.

SPS-tagit ovat täysin turvallisia käytettäviksi potilaaseen kiinnitettävissä lääketieteen sovelluksissa ja niiden alhainen hinta takaa sen, että niitä voidaan käyttää suuren skaalan kertakäyttöisissä sovelluksissa, kuten ruokakuljetusten monitoroinnissa. Kertakäyttöisissä sovelluksissa se, etteivät SPS-tagit tarvitse paristoa säästää sekä kustannuksia että ympäristöä, kun paristoista ei tarvitse hankkiutua eroon.

Auttava käsi IoT-kehitykseen

Parempi energiatehokkuus, kustannussäästöt ja kasvava liikevaihto toteutuvat niillä aloilla, jotka ottavat IoT:n omakseen. Monet organisaatiot, jotka näkevät IoT:n potentiaalin, odottavat kuitenkin yhä kentän laidalla. Tämä johtuu osin jyrkästä oppimiskäyrästä, joka tulee toimivan IoT-ratkaisun rakentamisen vaatimien tekniikoiden laajuudesta.

Vaikka erityishaasteet riippuvat kulloisestakin sovelluksesta, niihin sisältyvät luultavasti oikean verkkoyhteyden valinta, anturointi, aktuaattorit, tehonhallinta sekä pilvipalvelujen ja datan turvallisuuden ratkaisut. Eri vaihtoehtojen nopean kokeilun mahdollistama alusta on korvaamaton, kun halutaan saavuttaa erilaisten toiminnallisten lohkojen optimaalinen valikoima. Näin voidaan saavuttaa sovelluksen tavoitteet.

Jo luonteensa takia IoT on joustava ja jokaisen menestyksekkään kehitystyökalun täytyy vastata tähän joustavuuteen, jotta suunnittelijat voivat räätälöidä suunnittelunsa ja yhdistää laitteiston ja ohjelmiston siten, että sovelluksen tavoitteet täytetään yhdessä integroidussa kehitysympäristössä.

ON Semiconductorin palkittu, modulaarinen, solmusta-pilveen -protoalusta IoT Development Kit (IDK) on erittäin joustava ja mahdollistaa erilaisten IoT-käyttötapausten helpon kehittämisen. IDK tarjoaa monta tapaa liittää sovellus verkkoon sekä erilaisia anturi- ja aktuaattorivaihtoehtoja, jotka tuovat käyttäjälle joustavuuden räätälöidä ratkaisu oman liiketoiminta-alueen vaatimusten mukaisesti. Kattava alusta mahdollistaa laitteiden kehityksen ”laitteesta pilveen” suoraan paketista ja se pitää sisällään IDE-ympäristön, useita pilviliitäntävaihtoehtoja ja yli 40 erilaista käyttötapausta, joiden pohjalta asiakkaat voivat rakentaa omat ratkaisunsa.

Kuva 3. ON Semiconductorin IDK on monipuolinen ja modulaarinen alusta.

IDK:n pääprosessointielementti on ON Semiconductorin NCS36510, joka on vähävirtainen, täysin integroitu SoC-järjestelmäpiiri, joka pitää sisällään tehokkaan 32-bittisen Arm Cortex-M3 -prosessorin, ja siihen liittyvät muistit ja oheislaitteet.

Pääkantakorttiin voidaan liittää laaja valikoima tytärkortteja (shields) toiminnallisuuden laajentamiseksi. Verkkoliitäntään suunnittelijat voivat valita tytärkortteja erilaisille langattomille ja kiinteille protokollille, kuten BLE, Wi-Fi, 802.15.4 (ZigBee, Thread), Sigfox, CAN-väylä ja ethernet. Antureille on lisäkortteja, joiden mukana tulee anturit lämpötilalle, liikkeelle, kosteudelle, ympäröivälle valolle, paineelle ja erilaisille biomuuttujille. Lisäksi aktuaattoritoiminta voidaan lisätä harjattomilla askelmoottoreilla, ja lediajurikorteilla.

SPS-lisäkortti nostaa IDK:n arvoa, sillä se mahdollistaa datankeruun paristottomilla langattomilla antureilla. Näin voidaan mitata lämpötilaa, kosteutta ja painetta verkon reunalla hyvin vaivattomasti. Alustaa laajennettiin vähän aikaa sitten uudella monianturikortilla ja mobiilisovelluksella. Uusi tytärkortti yhdisti aiemmin lanseeratut IDK-tytärkortit, mikä mahdollistaa useiden IoT-sovellusten nopean prototypoinnin, oli kyse sitten hyvinvointi-, teollisuus-, älykoti- tai logistiikkasovelluksesta.

IDK-dokumentaatio on kattava ja pitää sisällään piirikaaviot, PCB-sijoittelu- ja Gerber-tiedostot, joiden avulla suunnittelu voidaan nopeasti viedä konseptista tuotantoon.

Yhteenveto

IoT tarjoaa huikeita mahdollisuuksia, joiden avulla organisaatiot voivat nostaa tuotteidensa arvoa ja kykyjä. Menestyksekkäät IoT-toteutukset perustuvat laajaan valikoimaan joskus tuntemattomia tekniikoita, mikä voi osoittautua haastavaksi erityisesti uusille markkinoille yrittäville yrityksille.

Kehitysalustat ja -työkalut voivat tarjota äärettömästi laajennettavan, pitkälle joustavan kehitysekosysteemin, joka auttaa sekä uusia että kokeneita suunnittelijoita. Yhdistämällä monia edistyneitä vähävirtaisia tekniikoita, kuten BLE:n ja SPS:n intuitiiviseksi paketiksi kuten IDK voi tuottaa riskittömän tavan, jolla kehittää nopeasti IoT-ratkaisun laitteisto ja ohjelmisto solmusta pilveen.

ON Semiconductor on sitoutunut tarjoamaan laajan valikoiman alhaisen tehonkulutuksen antureita sekä tehonhallinnan, ohjauksen ja verkkoliitännän ratkaisuja. Kattaviin kehitysalustoihin kuuluu vähävirtaisia ratkaisuja, jotka auttavat asiakkaita protoamaan relevantteja IoT-käyttötapoja nopeasti, lyhentämään markkinoille tuontiin kuluvaa aikaa ja julkaisemaan pitkällä akkukestolla varustettuja tuotteita.