Kyky kommunikoida käyttämällä suosittuja protokollia ja toimia erittäin pienistä virtalähteistä ovat kriittisiä menestystekijöitä IoT-laitteille. Bluetooth Low Energyn kaltaiset tekniikat ovat ajan myötä kehittyneet lähellä sijaitsevien oheislaitteiden liittämisen perustekniikasta IoT:n pitkälle optimoitujen tarpeiden de facto -toteutustekniikaksi.

Esineiden internetillä on jo merkittävä vaikutus moniin elämämme osa-alueisiin, kun työskentelemme, pelaamme ja suoritamme päivittäisiä tehtäviämme. Kun verkossa on kymmeniä miljardeja kytkettyjä laitteita ja viikoittain lisätään miljoonia uusia, on vaikea kuvitella, kuinka paljon globaalit verkot parantavat maailmaa, jossa elämme.

Toimintojensa - pääasiassa anturina, toimilaitteena tai näiden yhdistelmänä - ja langattomuuden tarpeen lisäksi näillä kytketyillä laitteilla on kaksi muuta yleistä vaatimusta. Niiden on kyettävä kommunikoimaan muiden laitteiden kanssa, sekä isännän että pilven välityksellä. Niillä on myös vastattava alhaisen virrankulutuksen vaatimuksiin, koska niitä käytetään yleensä pienillä nappiparistoilla, jotta ne voisivat olla omavaraisia ja mahdollisimman pieniä.

IoT on haastava alue suunnittelijoille, koska he pyrkivät vastaamaan käyttäjien ja kuluttajien yhä tiukempiin vaatimuksiin ja odotuksiin. Vaikka suunnittelut ovat fyysisesti pieniä, ne ovat myös monimutkaisia järjestelmiä, jotka sisältävät monia erilaisia tekniikoita, ja suunnittelijoiden on hyödynnettävä kehittyneitä tekniikoita ja vähävirtaisia komponentteja tavoitteidensa saavuttamiseksi.

Bluetooth Low Energy

Bluetoothia käytetään laajasti IoT-sovelluksissa, koska se on saatavana kaikissa älypuhelimissa ja tableteissa, ja tarjoaa siten melkein kaikkialla pääsyn internetiin. Alun perin Bluetooth Smart -nimellä kutsuttu BLE- eli Bluetooth Low Energy -tekniikka lähettää dataa paketeissa ja siirtyy sitten lepotilaan, mikä säästää huomattavasti virtaa. Bluetooth 4 mahdollistaa myös yhteyksien / laiteparien ylläpitämisen lepotilassa, mikä on lisätapa energian säästämiseen.

Bluetooth kehittyy edelleen, ja ominaisuudet, kuten tietoturvallinen pariliitos, AES-128-salaus ja nopeaa kehitystä tukevat profiilit sisältyvät myöhempiin versioihin. 4.2-julkaisu paransi datapaketin kapasiteettia 10-kertaisesti ja yhteyden kantamaa 2,5-kertaisesti avaamalla tekniikan sovelluksille, jotka vaativat suurempaa tiedonsiirtonopeutta.

Bluetooth 5 on nykyinen versio, ja se on optimoitu IoT-sovelluksiin. Kaistanleveys on kaksinkertaistunut 2 megabittiin sekunnissa ja - mahdollisesti 5-version merkittävimpänä edistysaskeleena – siihen on lisätty mesh-ominaisuus, joka poistaa keskittimen tarpeen ja mahdollistaa laajemmalle levinneiden IoT-verkkojen luomisen.

IoT-sovellukset

IoT-sovellusten kattava listaaminen on haaste, koska niitä on niin paljon, ja uusia lisätään nopealla tahdilla. IoT yhdistää kotimme verkkoon, seuraa hyvinvointiamme, hallitsee työpaikkoja, parantaa kaupunkeja ja ajoneuvoja, joissa matkustamme, ja paljon muuta.

IoT kattaa niin kuluttaja- kuin teollisuusmarkkinat. Teollisuudessa solmut tarkkailevat prosesseja tuotteiden laadun parantamiseksi ja seuraavat koneita pitäen silmällä niiden kulumista ja mahdollistaen ennaltaehkäisevän kunnossapidon, joka säästää seisokkeihin liittyviä kustannuksia. Logistiikassa BLE-pohjaiset skannerit voivat auttaa seuraamaan varaston tilaa älykkäiden tunnisteiden avulla, kun taas anturit ilmoittavat, että konttien täyttö tai varaston täyttö on tarpeen.

Kun olemme yhä riippuvaisempia akkuvirrasta ja tietoisuus energiankulutuksen vähentämisen tarpeesta kasvaa, on energianhallinta tärkeä tekijä kaikkialla. Älykkäiden rakennusten BLE-pohjaiset IoT-solmut aistivat lämmön, valon, jäähdytyksen ja ilmanvaihdon sekä ohjausvalojen, ikkunoiden ja LVI-laitteiden tarpeen reaaliajassa toimiakseen mahdollisimman taloudellisesti, sammuttaen resurssit usein, kun paikalla ei ole ketään.

Kodeissamme Bluetooth Low Energy voi mahdollistaa tavaroiden käytön seurannan ja jopa käynnistää tilaamisen jääkaappiemme automaattiseksi täyttämiseksi. Ikääntyvän väestön tarpeisiin vastaamiseksi Bluetooth mahdollistaa uuden sukupolven henkilökohtaiset seurantalaitteet, jotka yhdistävät lääketieteen ammattilaiset potilaisiin vähentämällä sairaalakäyntien tarvetta ja parantamalla samalla terveydenhuollon laatua.

BLE-pohjaisten IoT-ratkaisujen suunnittelu

IoT-ratkaisut voivat olla monimutkaisia toteuttaa, koska ne edellyttävät laajaa teknologian kirjoa toimiakseen harmoniassa. Näihin voi kuulua mikro-ohjaimia, analogisia suunnittelulohkoja antureille, RF-suunnittelua tietoliikenteeseen ja tehonkulutuksen hallintaa. Kaikki tämä on tyypillisesti yhdistettävä fyysisesti pieneen laitteeseen, jolla on minimaaliset tehovaatimukset.

Tämän seurauksena suunnittelijat etsivät integroituja ratkaisuja, jotka on erityisesti suunniteltu tukemaan nopeaa, pienten riskien suunnitteluprosessia IoT-sovelluksiin. RSL10-järjestelmäkotelo (RSL10 SIP) on esimerkki tällaisesta laitteesta, joka tarjoaa valmiin all-in-one -ratkaisun BLE:n lisäämiseksi IoT-solmuun.

Kuva 1. RSL10, järjestelmä kotelossa.

RSL10 SIP on joustava, erittäin pienikokoinen Bluetooth 5 -sertifioitu piiri, joka sisältää RSL10 BLE -järjestelmäpiirin, integroidun antennin ja kaikki passiiviset komponentit pienessä kotelossa. Kaikkien maailmanlaajuisten standardien (CE, FCC, IC, MIC, KC) mukaan sertifioitu RSL10 SIP nopeuttaa huomattavasti suunnitteluun kuluvaa aikaa, kun se ei vaadi erillistä RF-suunnitteluosaamista tai sertifioimista.

SiP-järjestelmäpaketti sisältää myös sisäisen muistin resurssit - haihtumatonta Flash-muistia on 384 kilotavua, josta käyttäjän sovelluksille on saatavana 256 kilotavua, sekä 88 kilotavua RAM-datalle ja DMA-ohjaimille. Suunnittelijan käytössä on myös valikoima konfiguroitavia ulkoisia rajapintoja, kuten I2C, UART ja dual SPI (Master / Slave), jotka lisäävät joustavuutta monenlaisiin sovelluksiin.

RSL10 voi tukea Bluetooth Low Energy -teknologiaa sekä muita 2,4 gigahersin asiakaskohtaisia ja/tai mukautettuja protokollapinoja. FOTA-tuki (Firmware-over-the-air) antaa valmistajille mahdollisuuden tarjota päivityksiä ja lisätä lisätoimintoja myös käyttöönoton jälkeen.

Integroitu virranhallinta on keskeinen vaatimus SiP-laitteille IoT-sovellusten mahdollistamiseksi. RSL10 on tällä hetkellä markkinoiden vähävirtaisin BLE-radio. Toimiessaan vastaanottotilassa se kuluttaa vain 7 milliwattia ja kulutus pienenee 62,5 nanowattiin deep sleep -tilassa. Tämän ansiosta suunnittelijat voivat pienentää järjestelmän kokoa ja painoa minimoimalla tarvittavien ulkoisten komponenttien määrän.

Laaja käyttöjännitealue on sekin arvokas ominaisuus suunnittelijoille ja laajentaa mahdollisten sovellusten määrää RSL10:n kaltaisille piireille. Syöttöjännitealue on 1,1–3,3 V, joten siinä voidaan käyttää joko 1,2 tai 1,5 V paristoja ilman ulkoisen DC/DC-muuntimen käyttöä. Tämä mahdollistaa myös pidemmän käyttöajan, kun pariston jännite laskee.

Suunnittelijan resurssit

Tehokkaiden ja erittäin integroitujen ratkaisujen etujen ohella suunnittelijat etsivät usein työkaluja ja apua saadakseen suunnittelunsa valmiiksi mahdollisimman nopeasti mahdollisimman alhaisin kustannuksin ja minimaalisilla asiantuntijaresursseilla. ON Semiconductor tarjoaa joukon hyödyllisiä työkaluja, jotka yksinkertaistavat ja nopeuttavat RSL10-pohjaista suunnittelua.

RSL10-ohjelmistokehityspaketti (SDK) tarjoaa täydellisen Eclipse-pohjaisen integroidun kehitysympäristön erittäin pienitehoisten BLE-sovellusten kehittämiseen. Paketti sisältää tuen Keilin uVisionille ja IAR:n Embedded Workbenchille sekä laajan valikoiman abstraktioita, ohjaimia ja näytesovelluksia, FreeRTOS-käyttöjärjestelmän ja FOTA-mobiilisovelluksen.

Kuva 2. Sulautettu RSL10 SDK -ohjelmisto.

Tarjoamalla täydellisen solmusta pilveen -ratkaisun Bluetooth IoT Development Kit (B-IDK) on modulaarinen suunnittelu, joka sisältää laajan valikoiman antureita ja toimilaitteita (aktuaattoreita). Ohjelmistotuki tarjotaan kätevässä CMSIS-Pack-paketissa, joka lisää RSL10 SDK:n toiminnallisuutta. Kokonaisuus sisältää anturiohjaimet, pilvituen ja B-IDK-alustalle määritetyn dokumentaation. Lisäksi mobiilisovellus mahdollistaa laitteiden hallinnan sekä anturien ja toimilaitteiden tietojen julkaisemisen ja tilaamisen (MQTT) useista suosituista pilvipalveluista.

Anturikehityspaketit voivat olla myös erittäin hyödyllisiä resursseja sellaisille suunnittelijoille, jotka työskentelevät IoT-suunnittelun parissa ensimmäistä kertaa. RSL10-anturikehityspaketti sisältää yli kymmenen anturielementtiä valon, ympäristön, äänen, sijainnin ja liikkeen tunnistamiseen, jotta suunnittelijat voivat siirtyä ideasta ratkaisuun nopeasti ja pienentää uudelleensuunnittelujen (respin) määrää.

Kuva 3. RSL10-anturikehityspaketti.

RSL10 SIP:n kaltaiset laitteet helpottavat suunnittelua integroimalla ulkoiset komponentit ja RF-alijärjestelmän samaan pieneen, erittäin energiatehokkaaseen pakettiin. Tämän yhdistäminen laajaan käytettävissä olevien tukityökalujen valikoimaan suunnittelijoita lisäämään vähävirtaisen BLE-toiminnallisuuden IoT-solmuihin minimoimalla riskit, suunnittelun kustannukset ja siihen käytetyn ajan.