Ensin internet yhdisti ihmiset. Sen jälkeen vuorossa on toinen vallankumous. 4G- ja IPv6-tekniikan yhdistelmä tuottaa uuden, älykkään M2M-kommunikaation koneiden välille.
Kirjoittaja Ramanuja Konreddy on  Microchipin vanhempi tuotemarkkinoinnista vastaava insinööri. Hänen vastuullaan on Microchipin 32-bittisten mikro-ohjainten markkinointi. |
Internet on jo mullistanut tavan, jolla ihmiset ovat yhteydessä toisiinsa. Nyt se on valmis toiseen vallankumoukseen: koneiden väliseen älykkääseen yhteydenpitoon. Teknologiat, jotka mahdollistavat älykkäät kone-kone -yhteydet (M2M) ovat nopea langaton 4G-yhteys sekä internet-protokollan 6-versio eli IPv6. Yhdessä nämä tekniikat auttavat suunnittelijoita luomaan maailman, jossa älykkäät laitteet mahdollustavan aivan uudenlaisten M2M-palvelujen kehittämisen.
Näitä mahdollisuuksia on paljon. Älypuhelimeen voisi tulla hälytys ja sijaintitieto, jos omistajan auto varastetaan. Kamera voisi keskustella GPS-paikannuslaitteen kanssa paikallisista kauniista kuvauskohteista. Jääkaappi voisi lähettää tekstiviestin, joka muistuttaisi voin loppuneen. Korjausta kaipaava kone voisi lähettää hälytyksen käyttäjälle. Kaiken tämän älykäs M2M-kommunikaatio mahdollistaa.
Kuva 1 näyttää M2M-tekniikan keskeisten elementtien yhteydenpidon. Nämä elementit auttavat järjestelmää saamaan dataa päätelaitteesta ja lähettämään tämän datan tietoliikenneverkossa sovellusohjelmistolle, joka prosessoi ja muuntaa datan tunnistettavaksi informaatioksi sovellukselle. Tyypillisesti M2M-verkot lähettävät dataa GSM- tai GPRS-verkon kautta, tai sähkölinjoja tai satelliittilinkkejä pitkin.
Kuva 1. M2M-liikenteen keskeiset elementit.
Teollisuuden sovellusten suunnittelijat ovat nopeasti nähneet M2M-liikenteen potentiaalin. Tehokkaiden anturien, edistyneiden sulautettujen mikro-ohjaimien ja langattomien verkkojen yhdistelmä on mahdollistanut uuden tason kontrollin esimerkiksi teollisuuslaitteiden etämonitoroinnin ja kuljetuskaluston seurannan sovelluksissa. Näiden kahden sovelluksen tarkempi tarkastelu paljastaa, kuinka M2M-kommunikaatio voi muuttaa sen, miten maailma toimii. Sen lisäksi M2M pienentää kustannuksia, parantaa tehokkuutta ja vähentää manuaalista työtä.
Etämonitorointi
Teollisuuslaitteiden etämonitorointijärjestelmä voi hyödyntää tärinää, nestevuotoja, lämpötilaa, mekaanista kulumista ja meteliä aistivien antureiden yhteisvaikutusta arvioidessaan laitteen tilaa. Kuva 2a näyttää jokaisen anturisolmun sijainnin keltaisella pisteellä. Ne on liitetty tähtitopologialla verkkokoordinaattoriin, jota kuvaa sininen piste. Yhdessä solmut ja verkkokoordinaattori muodostavat PAN-verkon(Personal Area Network).
PAN-koordinaattori toimii M2M-yhdyskäytävänä PAN- ja GPRS-verkkojen välillä lähettäen dataa etävalvonta-asemalle. Mikäli anturi havaitsee parametrin, jonka arvo on normaalien toiminta-arvojen ulkopuolella, etävalvonta-asema lähettää hälytyksen, jonka ansiosta ennaltaehkäisevään huoltotyöhön voidaan ryhtyä.
Varoittamalla mahdollisista laitteiden virhetoiminnoista etukäteen M2M-yhteyksiä voidaan käyttää vähentämään suunnittelemattomien toimintapysähdysten aiheuttamia kustannuksia. Samalla paranee ennaltaehkäisevien huoltoaikataulujen tehokkuus.
Anturisolmut ja PAN-koordinaattori
Anturisolmun ja PAN-koordinaattorin lohkokaaviot on esitetty kuvissa 2b ja 2c.
Kuva 2. Etävalvonnan toteutus.
Laitteen anturiparametrit lähetetään 4-20 milliampeerin virtasilmukalla, mikä on kestävä teollisuuden prosessien ja ohjauksen signalointistandardi. Mikroprosessori vastaanottaa parametrit piirillä integroidun AD-muuntimen läpi. Mikroprosessori käyttää PAN-protokollapinoa - kuten esimerkiksi MiWiä - liitäntään IEEE 802.15.4 -vastaanottimen kanssa, joka lähettää prosessoidun anturidatan PAN-koordinaattorille.
Koko PAN-verkon kommunikointia ajaa sulautettu mikro-ohjain PAN-koordinaattorin sisällä. Tämä mikro-ohjain liittyy sekä IEEE 802.15.4 -lähettimeen että GPRS-moduuliin sarjaporttien välityksellä. Mikro-ohjaimen flashmuistia käytetään koko MiWi PAN -verkon tallentamiseen, verkko-osoitteiden osoittamiseen ja yhteyksien muodostamiseen uusille anturisolmuille. Se myös kääntää PAN-protokolladatan GPRS-muotoon niin, että se voidaan lähettää GPRS-verkon yli.
Mikro-ohjain kontrolloi GPRS-moduulia AT-komennoilla (Attention), joilla dataa lähetetään. Mikro-ohjaimen valinnan pitäisi perustua suorituskykyyn, riittävään muistiin ja laajaan valikoimaan oheislaitteita, jotka tukevat suoraa pääsyä muistiin (DMA, direct memory access). Kentällä testattu ja kestävä langaton protokollapino, kuten Microchipin MiWi ja pääsy GPRS-kirjastoihin ovat myös hyödyllisiä, kun halutaan varmistaa vakaa yhteys PAN- ja GPRS-verkkojen välillä. Kehityskortin - kuten kuvassa 3 esitetyn Microchipin PIC32 Wi-Fi Comm Boardin - avulla voidaan nopeuttaa langattoman sovelluksen kehitystä.
Kuva 3. Microchipin M2M-demokortteja.
Kuljetusaluston M2M-seuranta
Ajoneuvo- tai kuljetuskaluston hallinnasta on tullut suosittu M2M-sovellus. GPS-paikantimilla varustettuja ajoneuvoja seurataan ja niiden sijainti viestitään monitorointijärjestelmään GPRS- tai GSM-moduulin välityksellä. GPS-moduuli tuottaa ajoneuvon paikkakoordinaatit. CAN-väylää käytetään keräämään dataa ajoneuvon eri moduuleista kuten ABS-järjestelmästä, moottorin ECU-ohjausyksiköstä ja turvatyynyistä.
32-bittinen mikro-ohjain ohjaa CAN/GPRS-yhdyskäytävää liittymällä CAN-väylään sekä GPRS- ja GPS-moduuleihin. Se myös kääntää CAN-datan GPRS-formaattiin ennen kuin data lähetetään GPRS-verkon yli kaluston hallintakeskukseen. Microchipin M2M PICtail -tytärkortti sisältää GPS- ja GSM/GPRS-moduulit, jotka on varustettu useilla AT-komennoilla sekä kuvassa 3b esitetyillä laajoilla toiminnoilla.
M2M PICtail -kortti sisältää kaiken tarvittavan laitteistoinformaation, binäärikoodit protokollapinoa myöten, tuotantotestipenkin suunnittelun ja testausohjelmiston, sertifioinnin, koulutuksen ja dokumentoinnin M2M-ratkaisun nopeaan toteutukseen ja markkinoille tuomiseen. Sen avulla voidaan kehittää langaton, erittäin pienikokoinen, vähän tehoa kuluttava tietoliikenneratkaisu, joka on helppo integroida suurivolyymisiin kulutus-, teollisuus- ja autoelektroniikan suunnitteluihin.
Koneiden älykkäämpi maailma
Nopeiden 4G-yhteyksien ja IPv6:n myötä koneiden välisistä yhteyksistä tulee yhtä yleisiä kuin ihmisten välisestä kommunikaatiosta. Tietoliikenneverkkojen nopea leviäminen ja puolijohderatkaisujen joustavuus merkitsevät sitä, että pian internetiin liittyneiden koneita ja laitteiden määrä ylittää nettiin liittyneiden ihmisten määrän. Suunnittelijoiden kannalta tämä tarkoittaa, että M2M-kommunikaation kaikkia mahdollisuuksia hyödyntävien tuotteiden saaminen ensimmäisenä markkinoille on yhä tärkeämpää.
Arduino UNO Q:n lanseeraus herätti syystäkin innostusta: kyseessä on ensimmäinen Arduino UNO -perheen kortti, jossa yhdistyvät mikroprosessori ja mikro-ohjain. UNO Q on vakuuttava uusi laitteistoalusta, joka tulee tutussa Arduino-ystävällisessä muodossa. Sen Debian-pohjaista Linuxia ajava prosessori, reaaliaikaiset ohjausominaisuudet ja uusi tehokas Arduino-kehitysympäristö avaavat käyttäjille mahdollisuuden rakentaa huomattavasti aiempaa kehittyneempiä sovelluksia.