YHTEISTYÖARTIKKELI: Esineiden internet tulee helpottamaan kuluttajien elämää. Kodinkoneita voidaan ohjata helpommin kun suunnittelijat tuovat niihin uusia antureita ja käyttötapoja. Tässä piirivalmistaja Microchipin Jason Tollefson kertoo, miten mikro-ohjaimet ja Bluetooth tuovat IoT-yhteydet kodintekniikkaan.

Esineiden internetissä tullee olemaan enemmän laitteita, kuin mitä tällä hetkellä on älypuhelimia. Siksi niiden suunnittelussa on tarpeen pienentää tehonkulutusta tai ainakin pitää se nykyisellä tasollaan. Siihen velvoittavat viranomaismääräyksetkin.

Sähkönkulutusta vähennettävä

Tehonsäästöjen takia IoT-ratkaisuissa tarvitaan pienellä tehonkulutuksella toimivia mikro-ohjaimia ja Bluetooth Smart – radioita. Niiden avulla kodinkoneita liittää joustavasti ja kustannustehokkaasti laajempiin järjestelmiin.

Esineiden internet ja IoT voidaan tulkita monella eri tavalla, riippuen siitä, missä markkinasegmentissä toimitaan. Tässä on Wikipediassa esitetty määritelmä, joka on varsin kattava monelta osaltaan.

Esineiden internet tuo uusia palveluja

Nettiin kytketyt kodinkoneet tarjoavat uudenlaisia mahdollisuuksia niin laitevalmistajille kuin kuluttajillekin.

Kuluttajat hyötyvät uusien laitteiden paremmasta ohjattavuudesta ja ajansäästöstä. Valmistajille netiin kytketyt laitteet tarjoavat mahdollisuuden valvoa niiden vikaantumista, ennakoida kunnossapidon tarvetta ja tarjota kuluttajille lisäarvopalveluita tai maksullisia toimintoja.

Älypuhelimesta kanava esineiden internettiin

Kodinkoneen käyttökokemusta voi hallita älypuhelinsovelluksella, joka huolehtii koneen ja ympäristön välisestä tiedonsiirrosta. Ne ovat nykyisin varustettu Bluetooth Smart-ominaisuudella. Helpon yhteydenmuodostuksen ansiosta älypuhelin tarjoaa kodinkoneelle nopeasti nettiyhteyden.

Langaton Wifi-liitäntäkin tarjoaa sopivan jatkuvan siirtokanavan antureiden tuottamaa tietoa varten. Wifi on Bluetoothin kanssa vaihtoehtoinen keino lisätä kodinkoneisiin IoT-toimintoja. Wifissä laiteyhteyden muodostus voi olla kuitenkin hieman hankalampaa.

Bluetooth Smart -versiossa on ns. majakkatoiminto, joka helpottaa laitteiden tietoteknistä pariintumista. Bluetooth Smartin majakat voivat ilmoittaa läsnäolostaan älypuhelimelle, kun IoT-laite on lähettyvillä.

Wifi-yhteydellä laitteiden liittämistä toisiinsa voi tarvita reitittimen kytkimen painamista. Langaton reititin voi sijaita myös eri huoneessa, kuin liitettävä kodinkone.

Hyödyllistä tietoa laitteesta

Kodinkoneen liittäminen esineiden internetiin tarjoaa uusia toimintoja. Koneen mikro-ohjain voi kerätä sisäisten antureiden tuottamaa tietoa esimerkiksi tehonkulutuksesta ja käyttötunneista, ja tallentaa ne käyttökelpoisessa muodossa myöhempää käyttöä varten.

Seuraavan kerran kun älypuhelin yhdistyy kodinkoneeseen se lataa tiedot puhelimeen tai siirtää ne automaaattisesti pilvipalveluun. Uusi toiminto ei edes kuormita kodinkoneen sähkönkulutusta, koska käytetään vähäkulutuksia mikro-ohjaimia ja radiotekniikoita.

Bluetooth Smart kodinkoneisiin

Monet ovat jo vuosien ajan käyttäneet Bluetoothia jossakin muodossa. Puhelimien kanssa käytetään usein Bluetooth-kuulokkeita ja monissa autoissa Bluetooth-järjestelmä on vakiona. Kodin laitteissa eniten kiinnostaa Bluetooth Smart. Se on Bluetooth SIG -kehittäjäjärjestön yksi uusimpia versioita.

Bluetooth Smart tarjoaa monia vähän tehoa kuluttavia toimintoja, mikä tekee siitä sopivan juuri kodinkoneiden IoT-ratkaisuihin. Taulukosta 2 kertoo, että vakiomallinen Bluetooth tarjoaa pitemmän siirtoetäisyyden ja jopa 2,1 Mb/s siirtonopeuden.

Nopeus ja ja etäisyys eivät ole ongelma kodinkoneissa. Siirrettävät datamäärät ovat vähäisiä ja nopeus ei ole tietojen siirrossa tärkeintä. Normaaliin versioon verrattuna koneiden Bluetooth Smartin etuja ovat nopea liittyminen ja vähäinen tehonkulutus.

Bluetooth Smart on suunniteltu erityisesti IoT-järjestelmiin liitettäviä laitteita varten. Wikipedian määritelmän mukaan IoT-laitteen tulee olla myös tunnistettavissa, ja siihenkin Bluetooth Smart tuo ratkaisun.

Kuvassa 2 näkyvät Bluetoothin verenpaineprofiilin sisäiset hierarkiatasot. Profiiliin on liitetty palveluja, kuten laitepalvelu ja verenpainepalvelu. Kuvasta 2 näkyy että profiiliin sisältyy UUID-yksilöintitunnus (Universally Unique Identifier, laitteen valmistaja), joka tullaan tarvitsemaan kaikissa IoT-järjestelmissä.

Kuvan 2 esimerkki on Bluetooth Smartin GATT-profiilista (Generic Attribute Profile), joita Bluetooth-laitteet tyypillisesti suoraan tukevat kuvan 3 mukaisesti. Moniin muihinkin sovelluksiin on käytettävissä profiileja, mukaan lukien mukautettu profiili. Mukautettu profiili on kodinkoneissa varmasti paras ratkaisu.

Bluetooth Smart säästää energiaa

Yksilöintitunnisteen lisäksi Bluetooth Smart-radioiden vähäinen tehontarve tekee niistä erityisen käyttökelpoisia esineiden internettiin liitettävissä kodinkoneissa.

Radio voi ilman jatkuvaa yhteyttä ylläpitää pariliitosta älypuhelimen kanssa; tällöin energiaa säästyy koska yhteydenpito kuluttaa energiaa. Bluetooth-radion ”yhteysaikaväli” (connect interval) ja ”orjalaitteen viive” (slave latency) antavat mahdollisuuden energiansäästöön.

Kuvan 4 mukaisesti yhteysaikaväli on aika, jonka kuluessa orjalaite eli ”oheislaite” lähettää dataa älypuhelimelle eli ”keskuslaitteelle”, ennen asettumistaan matalan tehonkulutuksen toimintatilaan.

Yhteysaikaväli vaihtelee muutamasta millisekunnista useaan sekuntiin ja yhteyden säännöllisyys riippuu orjalaitteen viiveestä.

Mainittujen seikkojen yhteisvaikutuksesta dataa voidaan lähettää niinkin usein kuin 7,5 millisekunnin välein tai energian säästämiseksi vain 33 minuutin välein.

Keinot tehonkulutuksen vähentämiseen

Mikro-ohjain vaikuttaa tehonkulutukseen yhtä paljon kuin radiokin. Tehonkulutus riippuu pääasiassa toimintatilasta ja kellotaajuudesta. Monissa uusissa mikro-ohjaimissa on erilaisia tehonkulutukseen vaikuttavia toimintatiloja.

Toimintatilat antavat mahdollisuuden muuttaa asetuksia ohjelmiston kautta. Tyypillisiä esimerkkejä ovat normaali toiminta (run), torkku (doze), tyhjäkäynti (idle), nukahdus matalassa jännitteessä (low voltage sleep) ja syvä uni (deep sleep).

Kullakin toimintatilalla on tehonkulutukseen vaikuttavia peruspiirteitä. Esimerkiksi Microchipin PIC-mikro-ohjaimen toimintatiloja ovat torkku ja nukahdus matalassa jännitteessä. Torkkutilassa mikro-ohjain voi suorittaa käskyjä pienemmällä taajuudella kuin millä sirulla olevat liitäntäyksiköt käyttävät. Tämä pienentää virrankulutusta, samalla kun tärkeät yksiköt kuten UART-sarjaliitäntä voivat toimia tarpeellisella siirtonopeudella.

Matalan jännitteen nukahdustilassa käytetään pienivirtaista jänniteregulaattoria sirulla olevan suorituskykyisen jänniteregulaattorin sijaan, jolloin mikro-ohjaimen tila kokonaisuudessaan voidaan ylläpitää vain muutaman sadan nanoampeerin kulutuksella. Tehonkulutus laskee 99,9 % siirryttäessä normaalista toiminnasta matalan jännitteen nukahdukseen.

Pienitehoisissa mikro-ohjaimissa voidaan myös nopeasti muuttaa kellotaajuutta suoritettavan tehtävän mukaisesti. Suurinta kellotaajuutta tarvitaan anturidatan suodatukseen, jossa on paljon laskentaoperaatioita.

Kellotaajuutta voidaan pienentää virran säästämiseksi, kun ollaan yksinkertaisessa ohjelmasilmukassa keskeytystä odottamassa. Mainituilla menetelmillä virrankulutus pienenee 5 milliampeerista 26 mikroampeeriin, mikä merkitsee 99% säästöä. Ratkaiseva tosiasia: matalan tehonkulutuksen mikro-ohjaimet helpottavat energian säästämistä.

IoT-liitäntä tuo uusia mahdollisuuksia

Kodinkoneiden liittäminen internettiin tarjoaa uusia ominaisuuksia niin kuluttajalle kuin valmistajillekin. Myös viranomaisten energiamääräykset voidaan täyttää sähköä vähän kuluttavilla mikro-ohjaimilla ja Bluetooth-lähiradiotekniikoilla.

Laitteiden IoT-liitännän kautta voidaan kerätä, muokata ja siirtää tietoa älypuhelimiin. Kuluttajat arvostavat  liitettävyyttä koska ne muodostavat yhdyskäytävän koneen lisäksi laitteiden lisäarvoa tuottaviin sovelluksiin. Liitettävyys hyödyttää myös laitevalmistajia. He saavat IoT-ratkaisun kautta tietoa valmistamiensa laitteiden pitkän ajan suorituskyvystä ja käytöstä.

Tietojen avulla voidaan vähentää laitteiden kokonaiskustannuksia ja saadaan käytännön tietoa seuraavan sukupolven kodinkoneiden kehitystyöhön. Esineiden internet tarjoaa valmistajille mahdollisuuden myös lisäbisnekseen esimerkiksi lisäarvotuotteiden markkinoinnissa.

Lähteet:

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_Things
2. https://developer.bluetooth.org/TechnologyOverview/Pages/BLE.aspx (2013)
3. http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70005191A%20(1).pdf (2014)
4. http://www.microchip.com//wwwAppNotes/AppNotes.aspx?appnote=en572728 (2014)

Artikkelin kirjoittaja Jason Tollefson Sr toimii Microchip Technology Inc:n tuotemarkkinointipäällikkönä. Artikkeli on julkaistu englanniksi nimellä ‘’ Low-power MCUs and Bluetooth radios prepare Appliances for connectivity with Billions of “Things”.

LUE – UUTTA  – LUE – UUTTA – LUE – UUTTA

Uusi ammattilehti huipputekniikan kehittäjille – Lue ilmaiseksi verkossa!

http://issuu.com/uusiteknologia.fi/docs/1_2016?e=19307983/35580639