Esineiden internet leviää nyt vauhdilla kaikkialle. Paras tapa liittää tulevat miljardit laitteet verkkoon on NFC-tekniikka, kertoo Avnet Silican Alessandro Vigano artikkelissaan.

Kirjoittaja Alessandro Vigano on työskennellyt Avnet SILICAlla vuodesta 2006 lähtien. Kesäkuuhun 2012 asti hän toimi Euroopassa markkinointijohtajana. Sen jälkeen hän on vastannut SILICAlla liiketoiminnan kehityksestä Euroopassa. Hänellä on tutkinto Luigi Bocconin kauppakorkeakoulusta Milanosta.

Yleensä tunnustus termin “Internet of Things” - joka nyt lyhennetään yleisesti IoT:ksi - keksimisestä annetaan englantilaiselle MIT:ssä Bostonissa Auto-ID-keskuksessa työskentelevälle Kevin Ashtonille. Ehkä hieman yllättäen termi juontaa juurensa aina vuoteen 1999 asti. Tosin vasta muutamana viime vuonna elektroniikkateollisuus on tosissaan innostunut niistä mahdollisuuksista, mitä IoT lupaa.

On helppo ymmärtää miksi näin on. Sen jälkeen kun internet lähti toden teolla vauhtiin muutamia vuosia sitten, noin miljardi eri paikkaa on liittynyt siihen, samoin noin viisi miljardia ihmistä. Riippuen siitä, keneen markkinaennustajaan uskot, vuoteen 2020 mennessä nettiin on liittynyt luultavasti 50 miljardia “esinettä”, joista monet lähettävät dataa pilvipalvelimille, jotka käyttävät tuota dataa monitorointiin, ohjaukseen ja analyysiin.

Mitä nämä “esineet” sitten ovat? Ne ovat autoja, kotitalouskoneita, teollisuuslaitteita, televisioita, digibokseja, ja jopa ledilamppuja, joita voi kytkeä päälle ja pois mistä tahansa maailmassa, missä vain on nettiyhteys käytettävissä.

Se mikä todella lisää vauhtia IoT-markkinaan ovat kannettavat laitteet, mukaan lukien päällepuettavat tuotteet. Näihin kuuluu lääketieteen laitteita, sekä terveys- ja kuntoiluvimpaimia. Laitteita, jotka voivat mitata sykettäsi, verenpainettasi ja vastaavaa, sekä lähettää tämän datan netin kautta muualla käytettäväksi. Tästä pääsemmekin yhteen luvatun IoT-vallankumouksen suurimmista haasteista, tietoturvaan. Mikäli IoT-laitteesi lähettää omaa lääketieteellistä dataasi, haluat varmaan valita päättää kuinka laajalti informaatiota jaetaan. Jos IoT-dataa käytetään pankkitililtäsi maksamiseen, olet todennäköisesti yhtä tarkka siitä, kuka pääsee näkemään kirjautumistietosi.

Esineiden liittäminen internetiin

Koska “esineiden” määritelmä on niin laaja, niiden tavat liittyä nettiin vaihtelevat myös suuresti. Tällä hetkellä kiinteät yhteydet toteutetaan yleensä kupari- ja kuitukaapeleilla, tai näiden yhdistelmällä. Mikäli yhteyteen käytetään älypuhelinta - eräänlaisena hubina - tarvitaan langaton linkki, jota pitkin laitteet keskustelevat keskenään. Joissakin sovelluksissa langattomaan linkkiin käytetään lähes jokaisesta älypuhelimesta löytyvää wifi- tai bluetooth-yhteyttä. Näillä molemmilla on kuitenkin rajoituksensa.

Wifi on hyvin energiasyöppö, mikä rajoittaa toiminta-aikaa akulla kannettavassa laitteessa. Se lähettää signaalia 2,4 tai 5 gigahertsin taajuudella tarpeesta riippumatta, ja hakkerien on raportoitu usein kyenneen sieppaamaan wifi-lähetykset ja paljastamaan niissä siirrettävä data.

Bluetooth operoi myös 2,4 gigahertsin alueella, mutta lyhyemmällä kantamalla ja hitaammalla datanopeudella. Tekniikan suhteellisen uusi matalan virrankulutuksen versio Bluetooth Smart on pienentänyt tyypillisen tehonkulutuksen klassisen bluetoothin noin yhdesta watista 0,01 wattiin. Maksimilähetysteho on 10 milliwattia ja bittinopeus yksi megabitti sekunnissa. Viivettä ja datan lähetykseen kuluvaa aikaa on myös lyhennetty alle kymmenesosaan aiempaan standardiin verrattuna, mikä edelleen kasvattaa akun toiminta-aikaa kannettavassa laitteessa. Bluetooth SIG:n (Special Interest Group) mukaan yli 90 prosenttia bluetooth-älypuhelimista tukee Bluetooth Smartia vuoteen 2018 mennessä, joten ensi arviolta tekniikka näyttää ilmeiseltä vaihtoehdolta “esineiden” liittämiseen älypuhelimeen, josta mobiiliyhteys solukkoverkkoon tuo internet-yhteyden.

On kuitenkin olemassa toinen nousuun lähtenyt langaton tekniikka, jonka lupaavien etujen realisoitumista on jouduttu odottamaan useita vuosia. Se on Near Field Communications tai lyhyemmin NFC. Se poikkeaa wifistä ja bluetoothista monin tavon, jotka voivat tehdä siitä hyvin houkuttelevan monien IoT-sovellusten kannalta. Lisäksi tekniikka on jo integroitu yli 500 miljoonaan älypuhelimeen ja tablettiin, ja määrä on ABI-markkinatutkimuslaitoksen mukaan kasvamassa 1,5 miljardin vuoteen 2017 mennessä.

NFC on erilainen, koska sen kantama on hyvin lyhyt, se on hyvin yksityinen ja turvallinen linkki, sen tehonkulutus on erittäin pieni ja se on hyvin edullinen vaihtoehtoihin verrattuna. Se parittuu ja siirtää dataa laitteiden välillä vain noin 10 sentin etäisyydeltä, minkä takia signaalin sieppaaminen on hyvin vaikeaa. NFC-laitteet eivät lähetä dataa broadcast-tyyliin. Sen sijaan ne edellyttävät, että NFC-laite lukee NFC-objektin muistia. Muut protokollan ominaisuudet vahvistavat tätä luontaisesti tietoturvallista tietoliikenteen menetelmää.

Toinen avainominaisuus on, että NFC-lähetinvastaanotin - tai tagi - voi kerätä energiaa lähellä olevan NFC-lukulaitteen säteilemästä RF-energiasta. Tämän ansiosta tagi ei tarvitse paristoa tai virtaliitäntää, mikä takaa että laitteet ovat selvästi wifi- tai bluetooth-ratkaisuja yksinkertaisempia, edullisempia ja pienempiä. Kuva 1 kokoaa yhteen eri langattomien standardien edut ja haitat.

Kuva 1. Langattomien tekniikoiden edut ja haitat (NXP).

NFC-viestintätavat

NFC:n viestintätilat ovat Kirjoitus/Luku, Laitteidenvälinen (peer-to-peer) sekä Korttitunniste (Card Emulation).

Kirjoitus/Luku-moodissa NFC-lukulaite tai kontaktoimattomaksi lukulaitteeksi asetettu NFC-älypuhelin lukee dataa NFC-objektilta, joka vastaa toimittamalla pyydetyn informaation. Esimerkiksi verkkosivuille voi siirtyä automaattisesti haetun URL-osoitteen välityksellä, tai SMS-viestin voi kirjoittaa ilman näppäilyä, tai saada puhelimeensa vaikkapa alennuskuponkeja viemällä puhelin älykkään NFC-laitteen lähelle.

Peer-to-peer -moodissa yksi luku/kirjoituslaite toimii tietoliikennelinkin luovana tagina. Kaksi NFC-laitetta, esimerkiksi kaksi älypuhelinta, voi tällä tavoin viestiä keskenään.

Korttitunnistemoodissa NFC-laite voi korvata kontaktoimattomat älykortit. Tällöin NFC-laitteita voidaan käyttää olemassaolevien älykorttilaitteiden kanssa. Lipun ostaminen, sisäänpääsy, tietulli ja kontaktoimaton maksaminen ovat esimerkkejä nykyisistä ja tulevista sovelluksista.

Alkuun NFC:n kanssa

NXP on ollut yksi NFC:n suurimpia tukijoita viime vuosina. SILICA on työskennellyt NXP:n kanssa luodakseen kehitysalustan, jonka avulla suunnittelijat voivat kehittää ilman ulkoista tehonlähdettä toimeen tulevat sulautetun NFC-järjestelmän. Energiaa kerätään sen sijaan NFC:n tai RFIDn sähkömagneettisista kentistä.

Kuva 2. Sulautetun järjestelmän liittäminen nettin NFC:n avulla (NXP).

ArchiTech Louvre on demo- ja kehityskortti, joka yhdistää NXP:n NTAG I2C -piirin ja ARM Cortex M0 -pohjaisen LPC11U37-miro-ohjaimen, sekä 2,7-tuumaisen e-ink -näytön. Kortin mukana tulevat firmware-ohjelmisto ja Android-sovellukset. Ohjelmisto on käytettävissä GPL-lisenssin alaisesti (General Public License for the GNU operating system).

NTAG I2C on piiri, joka käyttäytyy kaksiporttisen muistin tavoin. Yhteen porttiin liitytään langattomasti NFC-liitännän kaytta, toiseen järjestelmä liittyy I2C-liitännän kautta. Aktiivinen lukulaite - älypuhelin siis - kommunikoi passiivisen tagitunnisteen kanssa, vaikka sulautetun järjestelmän virta olisi katkaistu.

Kuva 3. ArchiTect Louvre -kortti.

Kun NTAG I2C -piiri liitetään vähävirtaiseen NXP-mikro-ohjaimeen, pääsee suunnittelija liittämään ArchiTect Louvre -kortin älypuhelimeen, mikä mahdollistaa firmware-ohjelmiston päivittämisen, anturien lukemisen (ilman virrankulutusta) ja datansiirron mikro-ohjaimelle. Kyse on elegantista ratkaisusta matalan tehonkulutuksen RFID-sovelluksissa, sillä LPC11U37-ohjain kuluttaa tehoa vain 85 mikrowattia megahertsiä kohti. Sähköiseen musteeseen perustuva e-ink-näyttö kuluttaa tehoa vain, kun sen informaatio päivitetään.

Kortilla on myös Arduino-liitäntä, joten siihen päästään käsiksi ulkoiselta alustalta, jolle on kehtetty kymmeniätuhansia sovelluksia.

IoT tulee käsittämään laajan valikoiman sovelluksia, joita kaikkia ei voi toteuttaa yhdellä ja samalla langattomalla tietoliikenneprotokollalla. Mutta jos sovellukselta vaaditaan pientä kokoa ja tehonkulutusta, edullisuutta sekä korkeatasoista tietoturvaa, moni näistä sovelluksista on parasta toteuttaa NFC-tekniikalla. Sen läpilyönti kesti ehkä aikansa, mutta nyt se on täällä jäädäkseen.