Mikrokontrolerji z Bluetooth povezljivostjo se povezujejo z milijardami “stvari”
Microchip Technology Inc.
Avtor: Jason Tollefson
2018_263_15
Nizkonapetostni mikrokontrolerji z Bluetooth radijsko povezljivostjo dajejo napravam možnost povezave z milijardami “stvari”.
Zdaj, ko je Internet stvari postal resničnost, so gospodinjski aparati v prvi vrsti med tistimi, ki bodo svojim lastnikom ponudili možnost uravnavanja porabe in časa delovanja (stroškov), proizvajalcem pa dobiček od naprav, ki bodo to ponujale in storitve, s katerimi bo to mogoče doseči. Proizvajalci aparatov lahko svoje izdelke opremijo s senzorji, s katerimi spremljajo vzorce uporabe in porabo energije, prikažejo mehke uporabniške vmesnike, ki prikazujejo podatke o uporabi, obenem pa omogočajo pravočasne storitve in ekskluzivne možnosti nakupa.
S pričakovanim naraščanjem uvajanja IoT (ki je večje, kot je bilo pri pametnih telefonih), bo na voljo več deset milijard “stvari”, ki jih bo treba tudi napajati. Načrtovalci naprav bodo želeli zmanjšati ali vsaj ohraniti sedanjo raven porabe energije, da bi karakteristike izdelkov izpolnjevale vladne predpise, hkrati pa bi jim dodali zmogljivosti IoT.
Za izpolnitev teh zahtev potrebujemo izredno majhne mikrokontrolerje (MCU) in Bluetooth® Smart brezžično povezavo, ki predstavlja prožen in stroškovno učinkovit način za povezovanje predmetov na obrobju IoT. Raziščimo torej te vidike IoT sistemov z majhno porabo!
Definicija IoT
Obstaja veliko različnih interpretacij IoT, pogosto pa so odvisne od tega, na katerem delu tržišča se nahaja vaša dejavnost. Na Wikipediji pa je mogoče najti odlično definicijo (prikazana je na sliki 1), ki je najboljši povzetek tega koncepta.
Slika 1: Definicija IoT
Če se torej držimo te definicije pri povezovanju naprav, bi morala biti neka IoT naprava edinstveno prepoznavna in naj bi ponujala napredno povezljivost, na primer Bluetooth Smart ali Wi-Fi®, ob tem pa bi se povezala v obstoječo internetno infrastrukturo.
Storitve, ki jih omogočajo IoT naprave
Možnost povezovanja aparatov na Internet obojnim – potrošnikom in proizvajalcem ponuja nove izzive. Potrošnikom ponuja dodano vrednost z možnostjo nadzorovanja stroškov in upravljanja s časom. Proizvajalcem ponuja dodano vrednost v možnosti spremljanja učinkovitosti aparata, proaktivno rešuje vprašanja vzdrževanja in nudi strukture za ustvarjanje prihodkov.
Pametni telefoni kot IoT prehod
Pametni telefoni, mikrokontrolerji z nizko porabo in Bluetooth Smart brezžična povezljivost proizvajalcem aparatov ponujajo najpreprostejši način dodajanja IoT zmogljivosti njihovim izdelkom. Pametni telefoni imajo v današnjem času večinoma vsi vgrajeno Bluetooth Smart tehnologijo, ki zagotavlja prehod, vrata neposrednemu dostopu do Interneta, z dodatno prednostjo poenostavljene povezave z napravo. Aplikacija pametnega telefona lahko nadzoruje uporabniško izkušnjo in upravlja s prenosom podatkov v napravo in od nje. Wi-Fi je druga metoda, s katero lahko napravam omogočimo IoT lastnosti in ki zagotavlja stalni kanal za sporočanje podatkov z različnih senzorjev, vendar je lahko protokol seznanjanja med napravami nekoliko zahtevnejše.
Bluetooth Smart ponuja zmogljivost delovanja v vlogi brezžičnega “svetilnika” (beacon), ki precej poenostavlja postopek seznanjanja. “Svetilniki” lahko okolici neprestano objavljajo svojo prisotnost, kar seveda zazna tudi pametni telefon, če se nahaja v bližini. Po drugi strani pa je pri Wi-Fi povezavi za seznanjanje z potreben pritisk gumba Wi-Fi Direct na usmerjevalniku, ki se pogosto nahaja v kakšnem drugem prostoru.
Ustvarjanje dragocenih podatkov
Tabela 1: Pet najboljših primerov storitev, ki jih ponujajo IoT aparati
Pravo uporabno vrednost IoT priključkov nekih aparatov ustvarjajo mikrokontrolerji z nizko porabo energije, ki so povezani z brezžično Bluetooth Smart tehnologijo. Mikrokontroler zbira podatke z različnih senzorjev, kot so poraba energije ali opravljene delovne ure naprave in jih shranjuje v neki uporabni obliki. Ko se pametni telefon poveže z napravo, se ti podatki naložijo ter prenesejo ali prikažejo. Mikrokontroler in brezžična povezava z nizko porabo energije ohranjata skladnost z vladnimi predpisi tako, da dodata povezljivost brez zaznanega povečanja porabe energije.
Uvod v Bluetooth
Zdaj, ko vemo, kako preprost je ta sistem, lahko podrobneje preučimo njegove posamezne komponente. Začeli bomo s tehnologijo Bluetooth. Zelo verjetno je, da tudi sami že nekaj let uporabljate Bluetooth v določeni obliki. Za vaš telefon imate morda Bluetooth slušalko, številni avtomobili pa imajo Bluetooth za pretakanje zvoka. Toda Bluetooth, ki nas zanima za IoT naprave, je Bluetooth Smart. To je nov standard, ki je na voljo šele v zadnjem času prek Bluetooth SIG. Ta novi standard omogoča delovanje z nizko porabo energije, kar je idealno za IoT aplikacije. Če pogledamo tabelo 22, takoj opazimo, da Bluetooth Classic ponuja večje domete in pretočnost 2,1 Mb/s. Toda za aplikacije z nizko stopnjo prenosa podatkov, kot so IoT naprave, takšna pretočna zmogljivost ni potrebna. Prednost Bluetooth Smart je, da se hitro povezuje, nudi pretočnost, ki ustreza potrebam IoT in ponuja manjšo porabo energije.
Bluetooth Smart je bil zasnovan posebej za naprave na obrobju IoT. Če se spomnimo tiste definicije IoT naprave v Wikipediji; biti mora edinstveno prepoznavna. No, Bluetooth Smart ima to sposobnost. Slika 2 na primer prikazuje organizacijo Bluetooth Smart medicinske aplikacije.
Tabela 2: Primerjava Bluetooth povezljivosti
Hierarhija na sliki 2 prikazuje Bluetooth profil krvnega pritiska. Temu profilu so dodeljene storitve, kot sta storitvi za upravljanje naprave in storitev v zvezi s krvnim tlakom. Vidite lahko, da profil vsebuje UUID, informacijo, ki je edinstveno prepoznavna (v tem primeru proizvajalec), kar je zahteva za IoT. To je le en primer, ki je del Bluetooth Smart GATT ali profilov splošnih atributov. Profili so navadno podprti v napravi Bluetooth neposredno, kot je prikazano na sliki 3. Obstajajo številni drugi programi, vključno z uporabniškim profilom “custom4”. Profil po meri uporabnika je idealen za gospodinjske aparate.
Bluetooth Smart varčuje z energijo
Poleg edinstveno prepoznavnih atributov (zaradi česar so Bluetooth Smart radii idealni za IoT naprave) je pomembna tudi njihova majhna poraba. Radio ima možnost ostati seznanjen s pametnim telefonom, pri tem pa ne potrebuje stalne povezave; in ker delovanje neprekinjene povezave znatno vpliva na porabo, je poraba v takšnem načinu delovanja manjša. Radijski sprejemnik Bluetooth ima funkciji “Interval povezovanja” in “zakasnitev podrejene periferne naprave”, ki to omogočata. Na sliki 4 vidite, da je interval povezovanja časovno obdobje, med katerim pomožna ali “periferna” naprava prenaša na pametni telefon ali svojo “centralo”, preden preide v stanje z nizko porabo. Ta čas se lahko spreminja od nekaj milisekund do nekaj sekund, s ponovitvami povezave, ki jo določa Slave Latency. Ti parametri v kombinaciji omogočajo, da se podatki prenašajo bolj pogosto, recimo vsakih 7,5 milisekund, ali pa le občasno, do največ vsakih 33 minut, s čimer dosežemo največje prihranke energije.
Značilnosti mikrokontrolerjev z majhno porabo
Slika 2: Prikaz Bluetooth profilov
Seveda je druga polovica v enačbi porabe energije mikrokontroler. Poraba energije je v največji meri odvisna od izbranega načina varčnega delovanja in hitrosti takta.
Načini varčnega napajanja
Mnogi novi nizkoenergijski mikrokontrolerji ponujajo različne načine varčnega napajanja. To je možnost spreminjanja konfiguracije mikrokontrolerja s programskim nadzorom. Tipični primeri so “run”, “doze”, prosti tek, nizkonapetostni spanec in globok spanec. Vsak od teh načinov delovanja ima ključne lastnosti, ki vplivajo na porabo. PIC® mikrokontroler ima na primer dozirne in nizkonapetostne načine spanja. V dozirnem načinu lahko mikrokontroler programsko kodo izvaja na nižji frekvenci, kot na lastnih vgrajenih perifernih napravah. To zmanjšuje porabo toka, kljub temu pa omogoča, da ključne periferne naprave, kot je na primer UART, komunicirajo z ustrezno baudno hitrostjo. Nizkonapetostni spanec izklopi visoko zmogljiv, na samem čipu vgrajen regulator in ga nadomesti z nizkotokovnim regulatorjem, kar omogoča popolno zadrževanje stanja MCU s porabo toka le nekaj sto nano-amperov. Prehod od polnega delovanja do nizkonapetostnega spanja zmanjša porabo toka za 99,9%.
Preklapljanje ure
Slika 3: Blok shema Bluetooth Smart modula
Mikrokontrolerji z nizko porabo nudijo tudi “leteč” preklop ure delovnega takta. To je zmožnost spremembe frekvence ure, ki temelji na vrsti opravila. Če uporabljate matematično intenzivne algoritme filtrov na podlagi podatkov s senzorjev, mora mikrokontroler teči s polnim taktom. Če pa se vrtite v preprosti zanki in čakate na eno od prekinitev, boste izbrali manjšo hitrost takta, s čimer boste zmanjšali tok porabe. Z uporabo te metode se poraba toka zmanjša s 5 miliamperov na vsega skupaj samo 26 mikro-amperov, kar pomeni 99% prihranek. Treba je torej poudariti, da mikrokontrolerji z nizko porabo poenostavljajo varčevanje z energijo.
Stopite v svet IoT
Slika 4 – Obdobja Bluetooth Smart komunikacije
Priključitev v svet IoT je tako rekoč kot na dlani in dosegljiva široki paleti različnih naprav. Z uporabo vgrajenih funkcij mikrokontrolerjev z nizko porabo in radijske Bluetooth povezave imajo zdaj naprave možnost vzpostaviti povezavo z IoT, pri tem pa ohranjajo skladnost z energijskimi predpisi na tem področju. Ta povezava omogoča zbiranje, obdelavo in prenos podatkov na pametne telefone na način, ki pred nekaj leti še ni bil mogoč. Skupaj s pametnimi telefoni, ki so brez dvoma postali osnovna sestavina sodobnega vsakdanjega življenja, nudijo odprta vrata aplikacijam, ki ustvarjajo dodano vrednost. Potrošniki cenijo povezljivost, saj v vsesplošnem pomanjkanju časa omogoča upravljanje iz ene izmed naprav, ki jo imajo vedno pri sebi, z njihovega lastnega pametnega telefona. Prav tako lahko proizvajalci izkoristijo prednosti te povezljivosti, saj imajo priložnost pridobiti vpogled v zmogljivost in uporabo svojega izdelka, to pa omogoča uporabo sodobnih tehnik trženja in storitev za zmanjšanje življenjskih stroškov in povečanje prihodkov ter pridobivanje vpogleda v potrebe potrošnikov za razvoj naprav naslednje generacije.
IoT je tukaj in predstavlja novo priložnost, zato mu stopite nasproti!
Viri:
http://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_Things
https://developer.bluetooth.org/TechnologyOverview/Pages/BLE.aspx (2013)
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70005191A%20(1).pdf (2014)
http://www.microchip.com//wwwAppNotes/AppNotes.aspx?appnote=en572728 (2014)
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
