Rutronik GmbH
Avtor: Bernd Hantsche
2019_278_16
Po vstopu prvih pametnih naprav v naša stanovanja in hiše je zdaj po povezovanju z internetom v središču njihovo medsebojno povezovanje. Odvisno od načina uporabe so v ta namen priporočljivi drugi radijski standardi.
ZigBee in WLAN
Da je mogoče žaluzije, klimatske naprave ali svetilke upravljati ne le s pametnim telefonom, ampak tudi z navideznimi osebnimi pomočniki (angl. »Virtual Private Assistant« – VPA), kot so Alexa, Siri, Google Assistant, Bixby ali Cortana, in drugimi napravami, kot so detektorji dima, budilke ali varnostne kamere, morajo vse povezane naprave tvoriti sistem, ki je navadno povezan z vmesniki, ki jih zagotavljajo proizvajalčeve storitve v oblaku. S temi vmesniki lahko radijska ura zjutraj začne predvajati glasbo za prebujanje po omrežju Wi-Fi, Alexa pa lahko pošlje signal, naj se v spalnici postopoma poveča svetlost.
Komunikacija med VPA in svetilom poteka običajno s prehodom ZigBee WLAN ali neposredno po omrežju Wi-Fi. Prednost te rešitve je, da svetila Wi-Fi ne potrebujejo dodatne naprave za komunikacijo, saj se neposredno povežejo z domačim usmerjevalnikom Wi-Fi. Pomanjkljivosti so relativno visoka poraba energije v pripravljenosti in dodatni podatkovni promet v omrežju WLAN. Za zelo pametna gospodinjstva lahko to pomeni, da razpoložljiva hitrost prenosa podatkov ni več zadostna.
Zato nekateri proizvajalci stavijo na protokol ZigBee Light-Link. Ta porabi manj energije kot povezava Wi-Fi in omrežja Wi-Fi ne obremenjuje z dodatnimi podatki. V primerjavi z radijskimi tehnologijami, kot sta ANT ali Bluetooth 5, pa je poraba energije še vedno precej visoka. Poleg tega zavzema omrežje ZigBee 5 MHz v 80 MHz širokem frekvenčnem pasu 2,4 GHz. To vzporedno prenese tri omrežja Wi-Fi ali 16 omrežij ZigBee in njihove kombinacije, na primer dve omrežji Wi-Fi in pet omrežij ZigBee. Preveč omrežij povzroči prekrivanje frekvenc in s tem poslabšanje zmogljivosti, omrežje lahko zaradi tega za kratek čas tudi v celoti izpade.
Thread
Protokol Thread se zadnji čas pojavlja v vedno več načinih uporabe za pametni dom. Ker podpira 6. različico internetnega protokola (IPv6), ponuja številne prednosti pred lastniškimi lokaliziranimi naslovi. Za protokolom je skupina Thread Group, neprofitna organizacija, ki združuje številna velika tehnološka podjetja.
Za profile načinov uporabe že obstaja več zavezništev, med drugim ZigBee z rešitvijo Dotdot. Tukaj gre za nekakšen univerzalni jezik za internet. Če naj bi radijska budilka tudi krmilila naprave istega proizvajalca, na primer z vklopom jutranje televizijske oddaje, je priporočljivo, da takoj integrirate protokol Thread, kar bo zagotovilo interoperabilnost za prihodnost vsaj na ravni strojne opreme.
Bluetooth
S tehnologijo Bluetooth 5 je tudi skupina Bluetooth Special Interest Group uvedla načine delovanja, ki so zanimivi za pametne načine uporabe doma: V načinu 2 Mb/s je mogoče prenašati videosignale, na primer iz kamere robotske kosilnice ali videonadzora vrat. Načina 500 kb/s in 125 kb/s omogočata večjo oddajno moč ter daljše kodiranje vsakega bita, kar zagotavlja doseg več sto metrov in prodiranje skozi več zidov. V nasprotju s tehnologijami, ki temeljijo na IEEE802.15.4, kot sta ZigBee in Thread, je Bluetooth 5 že na voljo v pametnih telefonih ter je zato primeren tudi za neposredno povezavo s pametnim telefonom.
Bluetooth 5 ponuja za razliko od različice Bluetooth 4.0 tudi protokol Bluetooth Mesh 1.0 kot vmesni sloj za podporo velikih omrežij s številnimi napravami. Ta protokol Bluetooth prinaša združljivost s pametnimi telefoni, resnično nizko porabo energije in zaradi omrežja brez usmerjanja tudi zelo majhne zakasnitve pri prenosu.
ANT in EnOcean
Pojdimo še korak naprej: Radijska budilka ne bo samo vklopila glasbe in luči, ampak bo to storila ob najboljšem možnem času. Tega bo določila na podlagi pametne ure ali zapestnice za fitnes, ki z zaznavanjem pulza in premikanja pozna uporabnikovo trenutno fazo spanja. Da bi imela budilka dostop do teh naprav, potrebuje protokol ANT. Ta se je namreč uveljavil pri takšnih napravah, le malo pa jih deluje z vmesnikom Bluetooth. Razlog za to je, da je ANT resnično najvarčnejša radijska tehnologija za tipala v neposredni bližini in je zato odlična rešitev za vse načine uporabe, kjer morajo gumbaste celice ter drugi podobni mali hranilniki energije omogočati mesece in leta delovanja brez polnjenja ali menjave baterije.
Energetsko še bolj učinkovit je le še standard EnOcean, ki deluje pod gigaherčnim območjem. Protokol sicer ni tako učinkovit kot ANT, vendar pa patentirane razširitve za pridobivanje energije (angl. »Energy-Harvesting«) z izkoriščanjem kinetične energije pri pritiskanju na stikala, solarne energije ali razlike v temperaturah omogočajo, da deluje radijska tehnologija EnOcean povsem brez ločenih hranilnikov energije. Stikala EnOcean so na primer že na voljo v montažnih hišah podjetja Weber. Obstoječe stikalo za luči lahko tako uporabimo tudi za to, da radijski budilki sporoči, da odhaja uporabnik spat in naj zato sproži časovnik za spanje.
NFC
Tudi če ima naprava vse te brezžične tehnologije, še ni nujno prijazna uporabniku. Končni uporabnik mora namreč vzpostaviti vse povezave do svojih naprav in sistemov. Pri tem mu pomaga komunikacija v bližnjem polju (angl. »Near Field Communication« – NFC). Končni uporabnik tako potrebuje samo svoj pametni telefon in se mora vsake naprave, ki jo želi povezati v omrežje, le še dotakniti.
Vse v eni enoti
Razvijalce torej čaka integracija vseh teh radijskih standardov v svojo aplikacijo. Sistem v integriranem vezju (angl. »System-on-Chip« – SoC) nRF52840 iz podjetja Nordic Semiconductor to zelo poenostavi: Ta rešitev vse-v-enem ne zagotavlja le zmogljivega mikrokrmilnika z radijskimi vmesniki za tehnologije ZigBee, Thread, Bluetooth 5, Bluetooth Mesh, ANT in NFC, ampak tudi vmesnik USB. Ponuja tudi A/D-pretvornike za vrednotenje dodatnih tipal, šifriranje prenosa podatkov in zaščito območij pomnilnika. SoC je tako komaj kaj dražji od rešitve, ki ponuja samo ZigBee.
Jedro sistema nRF52840 je 32-bitni procesor ARM® Cortex™-M4F z delovno frekvenco 64 MHz. Vgrajenega ima dovolj pomnilnika (1 MB bliskovnega in 256 kB RAM) za več radijskih protokolov hkrati. Poleg tega ponuja SoC še visokoločljive meritve RSSI in funkcije, kot je EasyDMA, ki zmanjšujejo obremenitev procesorja ter omogočajo neposreden dostop do pomnilnika. Za nizko porabo energije imajo vse periferne komponente upravljanje ure in porabe, ki zagotavlja, da so nepotrebne komponente izklopljene. Kriptografski pomožni procesor ARM® CryptoCell-310 zagotavlja visoko stopnjo varnosti. Vgrajen ima generator naključnih števil in številne storitve za asimetrično ter simetrično kriptografijo in razprševanje. Pomožni procesor poleg tega pospeši delovanje, zmanjša potrebo po obdelavi v CPE in zmanjša porabo energije. Sistem nRF52840 je radijsko združljiv z izdelki podjetja Nordic Semiconductor serij nRF24, nRF51 in nRF52.
Če si želite bistvene prednosti sistema EnOcean, lahko uporabite enoto serije nRF52, ki je združljiva z enotami za pridobivanje energije EnOcean. Na voljo je pri podjetju Rutronik, enako kot tudi rešitve za vse druge radijske tehnologije. Njihovi strokovnjaki za brezžične tehnologije strankam pomagajo pri izbiri optimalne rešitve za njihov način uporabe.
