Esineiden internetiin kytkeytyvät laitteet toteutetaan yhä useammin vähävirtaisilla pitkän kantaman radiotekniikoilla. Tähän on olemassa joustava yhden sirun ratkaisuja.

Liitettävyys on keskeinen osa IoT:tä ja sen mahdollistamia trendejä kuten älykaupungit, Teollisuus 4.0, kotiautomaatio ja autonomiset ajoneuvot eli robottiautot. Langattomat tekniikat ovat nyt liitettävyyden yleisin muoto ja vaikka on vielä ennenaikaista väittää, että langattomia liitäntöjä on kiinteitä enemmän, ei voi enää kiistää, etteikö se ole uusien laitteiden suosituin tapa liittyä verkkoon. Tämä on erityisen relevanttia laajemmassa IoT:ssä, jossa monet päätelaitteista ovat pieniä antureita tai aktuaattoreita, jotka on sijoitettu suhteellisen etäisesti tai sitten mobiileja laitteita ajoneuvojen tai tablettien tapaan.

Käyttömukavuuden lisäksi toinen etu langattomuudesta on sen kantama: useimmissa tapauksissa, joissa välimatka verkon reitittimen ja päätelaitteen välillä on yli kolme metriä, ne kannattaa liittää langattomasti. Mikäli laitteiden lukumäärä merkitsee, kuten älytoimistossa, jossa päätelaiteita voi olla satoja ovien ja ikkunoiden antureista etäohjattuihin valokatkaisimiin, langaton liittäminen on ainoa järkevä ratkaisu. Reitittimeen liitettyjen päätelaitteiden teoreettisen lukumäärää rajoittaa vain se IP-osoitteiden määrä, jota reititin voi palvella. Fyysisesti satojen ethernet-porttien toteuttaminen veisi paljon enemmän tilaa ja tehoa.

Oikean protokollan valinta

Ottaen huomioon käyttömukavuuden, monikäyttöisyyden ja suorituskyvyn, sekä markkinakysynnän (odotamme, että ensi vuosikymmenellä verkkoon liitettyjä IoT-laitteita on kymmeniä miljardeja), ei ole yllättävää, että tarjolla on useita langattomia protokollia.

Kiitos suuruuden ekonomian, joka näkyy henkilökohtaisten laitteiden kuten älypuhelimien, tablettien ja kuulokkeiden menestyksenä sekä tietokoneen oheislaitteina, Bluetooth on tällä hetkellä hallitseva tekniikka. 2,4 gigahertsin alueella toimivan tekniikan kantama on tyypillisesti 20-30 metriä ympäristöstä riippuen. Muut samalla taajuusalueella toimivat tekniikat ovat samalla tavoin rajoittuneita, mutta ne ylittävät tämän mesh-verkkotopologialla, joka tuli Bluetoothiinkin standardin 5.0-version myötä.

Hierarkian poistaminen

Mesh-liitäntä on tekniikka, joka käytännössä suhtautuu jokaiseen laitteeseen verkossa tasapuolisesti sikäli, kun ajatellaan laitteen kykyä reitittää liikennettä. Tämä tarkoittaa, että päätelaitteet kuten älyanturit (joiden resurssit voivat olla rajoitettuja) ovat yhtä kykeneviä reitittämään verkkoliikennettä kuin reitittimet toimiessaan siltana tai kytkimenä (perinteisen verkkohierarkian terminologian mukaisesti).

Tästä seuraa etuna lisääntynyt verkon kestävyys (robustisuus), kun verkko ei enää riipu päätelaitteiden näkymisestä yhdyskäytävinä, mikä voi häiritä elektronisesti kohinaisessa ympäristössä. Sen sijaan jokainen laite keskustelee jokaisen naapurilaitteensa kanssa luoden yhteyksien verkon (mesh), joka on paljon kestävämpi kuin yksittäisten laitteiden välinen pisteestä-pisteeseen -tyyppinen yhteys.

Monet 2,4 gigahertsin alueella toimivat protokolla tukevat nyt mesh-topologiaa, koska se on tehokas ratkaisu puutteellisen kantaman pidentämiseen: kunhan kantaman sisällä on seuraava laite, verkon peitto on käytännössä rajoittamaton. Periaatteessa Bluetooth-yhteys voisi yltää maapallon ympäri, kun laitteita on aina edellisen kantaman sisällä ja ne kaikki tukevat mesh-tekniikkaa. Tämä ei tietenkään tarkoita, että Bluetooth-laitteista tulee tahdottomia pelureita globaalissa verkossa, mutta ajatuskoe kuvaan hyvin mesh-verkkotekniikan etuja.

Tämän takia 2,4 gigahertsin alueella on kova kilpailu eri protokollien välillä, kun ne kaikki tavoittelevat suunnitteluvoittoja IoT-laitteisiin.

Jo kauan ennen kuin 2,4 gigahertsin markkina käynnistyi, langattomissa yhteyksissä suosittiin teollisuussovelluksissa megahertsi-aluetta, joka sen jälkeen on nimetty ”gigahertsin alla” toimiviksi protokolliksi (Sub-GHz), erotuksena nousevasta 2,4 gigahertsin protokollien joukosta. Historiallisesti alle gigahertsin alueella on ollut vähemmän standardointia ja regulatorista vapautta toteuttaa asiakaskohtaisia ratkaisuja, joten sen suosio on säilynyt. Vastatakseen IoT:n asettamiin haasteisiin sekin on kehittynyt kasvavalla joukolla standardoituja lähestymistapoja, jotka tukevat yhteentoimivuutta. Tämä on tärkeä ominaisuus IoT:ssä ja monilla sen mahdollistamilla sovellusalueilla.

Kehitystä IoT-alueelle

IoT:lle ei pääsääntöisesti ole rajoja, mikä tarkoittaa, että kantamasta tulee äärimmäisen tärkeä ominaisuus. Vaikka tämä voidaan saavuttaa mesh-topologiaan perustuvilla PAN-verkoilla (Personal Area Networks), ne vaativat suhteellisen lähellä olevia toistimia tai solmuja siirtääkseen dataa pitkien etäisyyksien yli. Tämän takia kehittyjät kääntyvät WAN-verkkojen (Wide Area Networks). Yleisimmät käytössä olevat langattomat WAN-verkot ovat matkapuhelinverkot, mutta saman tekniikan käyttö IoT-yhteyksiin johtaa haasteisiin: verkkoyhteyden kustannusten lisäksi päätelaitteiden akunkesto mitattaisiin päivissä eikä kuukausissa tai mieluiten vuosissa.

Käytännöllinen ratkaisu tähän on vähävirtainen WAN tai LPWAN-verkko. Tätä varten kehitetyt tekniikat tuovat käyttöön alhaisemmilla taajuuksilla saavutettavat kantamat sekä IoT-solmujen edellyttämän akunkeston, ja ainoa todellinen kompromissi on datakuormassa. LPWAN-verkoissa hyödynnetään sitä tosiseikkaa, että IoT:ssä tyypillisesti tarvitsee lähettää vain pieniä määriä dataa suhteellisen harvoin väliajoin, minkä ansiosta datanlähetykseen kulutettu energia voidaan pitää mahdollisimman pienenä.

LPWAN-verkoissa käytetty verkkotopologia matkii matkapuhelinverkkoa siten, että se tyypillisesti hyödyntää tähtimäistä tukiasemien verkkoa, toisin kuin toistimien muodostama mesh-verkko. Verkot voivat olla avoimia tai asiakaskohtaisia sovelluksesta riippuen. Vakiintuneisiin esimerkkeihin käytetyistä protokollista kuuluvat älymittarien lukemiseen laajasti käytetty Wireless-M Bus, sekä KNX-RF, EnOcean ja Z-Wave, joita käytetään kotiautomaation järjestelmissä. Uusimmissa kehityksissä LPWAN-verkot kute LoRa ja LoRaWAN (fyysinen kerros ja siihen liitetty protokolla) sekä Sigfox (joka on itse asiassa sekä protokolla että globaali verkko) ovat nousseet LPWN-verkkotekniikoiksi, joissa fokus on IoT-laitteiden liittämisestä suurilla ja pääsääntöisesti avoimilla verkoilla.

Viimeksi mainittujen LPWAN-verkkojen avainominaisuus on niiden pidempi kantama. Vaikka ne noudattavat tähtimallista verkkotopologiaa, niiden todellinen vahvuus lienee siinä, että ne pyrkivät olemaan globaaleja verkkoja. Ne yltävät tähän, koska jokainen yhdyskäytävä on avoin jokaiselle laitteelle, joka on konfiguroitu verkkoa varten (mistä johtuu protokollan tärkeys) ja tuottamalla IP-paluukanavan Ethernetin esimerkiksi Internetiin. Yksittäisen LoRaWAN- tai Sigfox-laitteen tarkoitus ei välttämättä ole keskustella toisen laitteen kanssa maapallon toisella puolella, mutta jokainen laite oikeilla verkko-oikeuksilla voi kommunikoida missä tahansa sijaitsevan laitteen kanssa Internetin yli tietämättä, miten verkko on konfiguroitu.

Yhden sirun LPWAN-ratkaisut

LPWAN-sovelluksiin tarkoitetut langattomat tekniikat kattavat laajan alueen taajuuksia 27 megahertsistä aina 1050 megahertsiin asti käyttäen erilaisia modulaatiotekniikoita. Taulukossa 1 on vertailtu joitakin yleisimmistä protokollista.

Taulukko 1: Alle gigahertsin protokollat ja niiden modulointitekniikat.

Laitteiden RF-etupäät pitää suunnitella huolellisesti ja tämä on ehkäpä suunnittelun haastavin osa. Nykyään on yleisempää valita piiri, jolle on integroitu mahdollisimman paljon RF-toiminnoista, mikä helpottaa suunnittelua. Lisäksi, vaikka protokolla voi olla käytettävissä avoimena lähdekoodina, sen toteutus edellyttää koodin kääntämistä isäntäprosessorille tai riittävän tehokkaalle ohjaimelle. Koska nämä toiminnot ovat niin läheisesti yhteydessä, jotkut puolijohdetoimittajat ovat kehittäneet kokonaisia järjestelmäpiiriin perustuvia lähestymistapoja toteuttaakseen gigahertsin alapuolella toimivan ratkaisun.

Toteuttaakseen yksittäisen suunnittelun, jolla voidaan ratkaista monta erilaista IoT-sovellusta eri LPWAN-protokollilla, lähetinvastaanottimen täytyisi kyetä toimimaan laajalla taajuusalueella ja tukemaan erilaisia modulointitekniikoita ketterällä ja tehokkaalla tavalla. Näiden kahden toiminnallisen elementin tuominen yhdelle piirille luo joustavan ratkaisun, joka on sekä kustannustehokas että energiatehokkaampi kuin kahden piirin lähestymistapa. Isolta osin ohjelmistollisesti määriteltävänä se tuo valmistajille alustan, joka voidaan helposti sovittaa vastaamaan suuren sovellusjoukon tarpeisiin käyttämällä eri langattomia protokollia.

Kun yhden sirun langattomien mikro-ohjaimien valikoima kasvaa, tulee yhä tärkeämmäksi arviodia niitä RF-suorituskyvyn perusteella. Korkean tason joustavuus RF-lähetinvastaanottimen taajuuksissa muodostuu yhdeksi mittariksi, jonka perustella piiri käy useisiin sovelluksiin, joissa taajuuden ja protokollan pitää tarjota suurempaa joustavuutta. Tämä voi tarkoittaa esimerkiksi globaalin standardin alueellisten variaatioiden tukea tai valitun standardin toimintojen parempaa toteutusta esimerkiksi verkonhallinnan näkökulmasta.

ON Semiconductorin AXM0F243-piiri on ultravähävirtainen RF-mikro-ohjain, joka tukee taajuuksia ketterästi 27 megahertsistä 1050 megahertsiin. Vertailussa muihin kilpaileviin RF-mikro-ohjaimiin se esiintyy edukseen.

Monien LPWAN-yhteyden yli toimivien IoT-päätelaitteiden pitää rajoittaa langattomasti siirrettävän datan määrää, mikä korostaa datan prosessointia ns. verkon reunalla (edge processing) eli päätelaitteen kykyä prosessoida dataa paikallisesti ja tehdä ratkaisuja ilman viittaamista pilvialustaan. Tukeakseen tätä minkä tahansa ratkaisun suorituskyvyn pitää olla tarkasti tasapainotettu tehonkulutuksen ja suorituskyvyn välillä. Arm Cortex-M0+ -suoritinydin sopii täydellisesti tähän sovelluskenttään, sillä se tarjoaa 32-bittisen arkkitehtuurin suorituskyvyn markkinoiden alhaisimmalla tehonkulutuksella. Arm Cortex-M0+ on ON Semiconductorin ultravähävirtaiseen AXM0F243-RF-mikro-ohjaimeen valittu arkkitehtuuri. Kuva 1 näyttää piirin lohkokaavion, jossa Arm-ydinalijärjestelmään on yhdistetty RF-toiminnallisuus, joka tarvitaan IoT-käyttöön suunnitellun LPWAM-piirin luomiseen.

Kuva. AXM0F243-piirin lohkokaavio.

Intergroitu kapeakaistainen lähetinvastaanotin on yhteensopiva laajan valikoiman modulointitekniikoita kanssa: näihin kuuluvat FSK (Frequency Shift Keying, taajuusvaimennus), MSK (Minimum (frequency) Shift Keying, minimitaajuusvaimennus), 4-FSK ja Gaussin FSK ja MSK, sekä ASK (Amplitude Shift Keying, amplitudivaimennus) ja PSK (Phase Shift Keying, vaihevaimennus). Suurelta osin ohjelmallisesti määriteltävänä radio voi tukea laajaa määrää LPWAN-protokollia, mukaan lukien Wireless M-Bus, Sigfox ja monet muut.

Lähetinvastaanotin voi operoida FEC-vireenkorjauksella (Forward Error Correction) tai ilman sitä tarjotakseen valikoiman vastaanotinherkkyyksiä tietylle datanopeudella koko taajuuskaistalla käyttämällä itä tahansa tuettua modulointitekniikkaa. Taulukko 2 näyttää esimerkkejä vastaanottimen herkkyydestä FEC-korjauksen kanssa ja ilman sitä 868 megahertsissä.

Taulukko 2. Vastaanotinten herkkyyden vertailu.

AXM0F243-piiri tukee kantoaaltoja 27-1050 megahertsin välillä 100-125 kilobitin datanopeuksilla, ja sisältää RF-taajuussyntesoijan ultranopealla asettumisajalla ja jänniteohjatun oskillaattorin (VCO) kaistanleveyden vahvistamismoodeilla nopeaan lukittumiseen, mikä osaltaan auttaa pienentämään piirin teonkulutusta. Se voi myös tukea ulkoista oskillaattoria sekä ulkoista tehovahvistinta.

Radio-ohjain tukee useamman antennin käyttöä (antennidiversiteetti) RX/TX-kytkentäohjauksella samalla kun pakettien vastaanotto on täysin automaattinen ja voi toimia ilman tarvetta ottaa käyttöön piirille integroitu mikro-ohjain, mikä edelleen pienentää kokonaistehonkulutusta.

Monikäyttöiset oheislaitteet

Sen lisäksi, että AXM0F243-piirillä on integroitu mikro-ohjain ja RF-vastaanotin, sille on integroitu ohjelmoitavia ja kiinteän toiminnallisuuden analogisia ja digitaalisia oheislaitteita. Analogialohkot koostuvat kahdesta operaatiovahvistimesta, 12-bittisestä SAR-muuntimesta, vähävirtaisista komparaattoreista ja DAC-virtamuuntimista. Kaksi dedikoitua väylää yhdistää analogialohkot analogiakytkimillä, joita voidaan ohjata firmware-ohjelmistolla niin, että mikä tahansa I/O-nasta voidaan yhdistää mihin tahansa analogialohkoon. Ohjelmoitavat digitaalilohkot toteutetaan LUT-hakutaulukoilla, jotka on liitetty kytkentämatriisiin, jollaisia löytyy CPLD- tai FPGA-piireistä. Tämän ansiosta valikoima firmware-määriteltyjä logiikkatoimintoja voidaan kohdistaa mihin tahansa GPIO-portista reititettyyn signaaliin. Kiinteisiin toimintoihin kuuluvat ajastin/laskin/PWM-lohko (pulssileveysmodulaatio), sekä sarjatietoliikennelohko, joka voi toimia I2C-, SPI- ja UART-moodeissa.

Johtopäätös

IoT on joukko monia vertikaalisia markkinoita, joihin kuuluu kotiautomaatiota, rakennusautomaatiota, älymittarinlukua ja anturi/aktuaattori-monitorointia. Langaton liitäntä on keskeistä IoT:ssä ja LPWAN-verkot ovat nousemassa monien IoT:n alaisten sovellusten mahdollistajiksi.

Valitsemalla joustavat ja ohjelmoitavan yhden sirun ratkaisun kehittäjät pystyvät paremmin vastaamaan IoT:n haasteisiin kustannustehokkaalla ja energiatehokkaalla tavalla.