IoT-laitteiden pitää olla kiinni verkossa jatkuvasti. Lisäksi niiden pitää kuluttaa mahdollisimman vähän energiaa. Tämä onnistuu Bluetooth Smartilla.

Kun esineiden internet eli IoT on todellisuutta, kotitalouskoneet tuovat kuluttajille mahdollisuuden valvoa kustannuksiaan ja aikaansa. Valmistajille IoT tuo uusia liiketoiminnan ja palvelumuotoja. Laitesuunnittelijat voivat istuttaa koneisiin antureita, oilla voidaan monitoroida käyttötapoja ja energiankulutusta. Siisteiltä näytöiltä voi katsoa käyttäjädataa, sekä varata huoltoja ajallaan.

Kun IoT-laitteita tulee kertaluokka älypuhelimia enemmän, on meillä pian miljoonia ”esineitä”, joihin pitää saada virtaa. Laitesuunnittelijat haluavat pienentää tai pitää korkeintaan nykyisellä tasolla tämän hetkisen energiankulutuksen, jotta voivat vastata uusiin sääntelyihin samalla, kun IoT-ominaisuuden lisääntyvät.

Tämän toteuttamiseksi tarvitaan erittäin vähävirtaisia mikro-ohjaimia ja älykkäitä Bluetooth-radioita (Bluetooth Smart). Ne tuovat joustavat ja kustannustehokkaan tavan liittää esineet verkkoon IoT:n reunalla. Tutkikaamme siis vähävirtaisen IoT-järjestelmän ominaisuuksia.

IoT:n määrittely

On olemassa useita IoT-määritelmiä, jotka usein riippuvat siitä, millä markkinoilla toimitaan. Wikipedian määritelmä (kuva 1) kokoaa konseptin hyvin.

Kuva 1 – IoT:n määritelmä

Tämän määrityksen mukaisesti IoT-laite olisi tunnistettavissa, tarjoisi edistyneen verkottumisen Bluetooth Smartin tai Wi-Fin kaytta ja liittyisi olemassa olevaan internet-verkkoon.

IoT:n mahdollistamat palvelut

Laitteiden liittäminen internetiin tuo uuden paradigman sekä kuluttajille että tuottajille. Kuluttajille se tuo lisäarvo, kun laitteiden kustannuksia ja ajankäyttöä voidaan valvoa. Tuottajat voivat puolestaan monitoroida laitteen toimintakykyä, ratkaista toimintaongelmia etukäteen ja kehittää uusia liiketoimintaa kasvattavia palvelurakenteita.

Taulukko 1 - Top 5 Examples of New Appliance Services

Älypuhelin IoT-yhdyskäytävänä

Älypuhelin, vähävirtainen mikro-ohjain ja Bluetooth Smart -radio tarjoavat laitevalmistajalle yksinkertaisimman keinon lisätä IoT-toiminnallisuus tuotteisiinsa. Älypuhelimet tulevat nyt Bluetooth Smartia, jonka kautta laitteilla on välitön pääsy internetiin, minkä lisäksi paritus IoT-laitteeseen on yksinkertaistunut. Älypuhelinsovelluksella voidaan ohjata käyttökokemusta ja hallita laitteesta ja laitteeseen siirrettävää dataa. Wi-Fi on toinen IoT-laitteiden liitäntämenetelmä, joka tuo jatkuvan kanavan anturidatan siirtoon, mutta siinä laitteiden paritus voi olla hieman haastavampaa.

Bluetooth Smart tarjoaa majakka-toiminnallisuuden, mikä helpottaa laitteiden paritusta huomattavasti. Majakat voivat ”mainostaa” läsnäoloaan älypuhelimille, kun laitteet ovat lähellä toisiaan. Wi-Fi-paritus tosin vaatii Wi-Fi Direct painikkeen painamista usein eri huoneessa sijaitsevassa reitittimessä.

Arvokkaan datan tuottaminen

Laitteen IoT-yhteyden arvon tuottaa vähävirtainen mikro-ohjain, joka on liitetty Bluetooth Smart -radioon. Mikro-ohjain kerää laitteen tuottaman anturidatan – kuten tehonkulutuksen tai tiedon päällä olosta – ja tallentaa sen sopivaan muotoon. Kun älypuhelimella liitytään laitteeseen, data voidaan ladata, lähettää eteenpäin tai esittää näytöllä. Vähävirtainen mikro-ohjain ja radio myös säilyttävät yhdenmukaisuuden valtion säännösten kanssa tuomalla liitännän ilman mitattavaa lisäystä tehonkulutukseen.

Bluetoothien erot

Katsokaamme nyt tämän yksinkertaisen järjestelmän komponentteja tarkemmin. Aloitetaan Bluetoothista. On hyvin todennäköistä, että olet käyttänyt Bluetoothia jossakin muodossa jo vuosia. Sinulla voi olla Bluetooth-kuulokkeet älypuhelintasi varten ja monissa autoissa musiikkia voi kuunnella Bluetoothin kautta. IoT-laitteiden kohdalla olemme kuitenkin kiinnostuneita Bluetooth Smartista. Tämä on standardi, joka kuuluu Bluetooth SIG:n uusimpiin. Se mahdollistaa vähävirtaisen toiminnan, mikä on ihanteellista IoT-sovelluksille.

Taulukosta 2 näet, että klassinen Bluetooth tarjoaa pidemmän kantaman ja 2,1 megabitin datanopeuden. Alhaisemman datanopeuden IoT-sovelluksiin ei tarvita näin nopeaa datayhteyttä. Bluetooth Smartin etuna on nopea liittyminen, minkä lisäksi se tarjoaa IoT:n kaipaaman datanopeuden ja alhaisemman tehonkulutuksen.

Taulukko 2 – Bluetooth-tekniikoiden vertailu

Bluetooth Smart suunniteltiin erityisesti laitteisiin IoT:n reunalla. Kannattaa muistaa edellä esitelty Wikipedian IoT-laitteen määritelmä: sen pitää olla yksilöllisesti identifioitavissa. No, Bluetooth Smartilla on tämä ominaisuus. Esimerkiksi kuvassa 2 on kuvattu Bluetooth Smartia hyödyntävän lääketieteellisen laitteen rakentuminen.

Kuva 2. Bluetoothin profiilihierarkia.

Hierarkia kuvassa 2 esittää Bluetooth Blood Pressure (verenpaine) -profiilin. Tälle profiilille on asetettu palveluja, kuten Device-palvelu ja Blood Pressure -palvelu. Kuvasta näkyy, että profiiliin sisältyy UUID-tunnus (uniquely identifiable information, tässä esimerkiksi valmistaja), joka on vaatimus IoT:tä varten. Tämä on vain yksi esimerkki Bluetooth Smart GATT- tai geneerisiä profiileja. Tyypillisesti Bluetooth-laite tukee profiileja suoraan, kuten kuvasta 3 näkyy. Räätälöity profiili on ideaalinen kodin laitteille.

Kuva 3. Bluetooth Smart -moduulin lohkokaavio.

Bluetooth Smart säästää energiaa

Yksilöllisesti tunnistettavien attribuuttien lisäksi Bluetooth Smartin tekee ihanteelliseksi IoT-laitteiden kannalta sen tehotarpeet. Radiolla on kyky pysyä parittuneena älypuhelimeen ilman jatkuvaa yhteyttä, ja koska yhteys vaatii energiaa, tämä säästää sähköä. Bluetooth-radioon kuuluu ”yhteysväli” (Connect Interval) ja ”orjalatenssi” (Slave Latency), jotka tekevät tämän mahdolliseksi. Kuvasta 4 näkyy, miten yhteysväli on se aika, joka kuluu laitteen datan lähettämisen älypuhelimelle tai reitittimelle ennen kuin laite siirtyy vähävirtaiseen tilaan. Tämä aika vaihtelee muutamista millisekunneista useisiin sekunteihin. Yhteyden säännöllisyyden määrittelee Slave Latency -parametri. Yhdistettynä nämä parametrit mahdollistavat sen, että data voidaan lähettää jopa 7,5 millisekunnin välein tai vain 33 minuutin välein, kun haetaan maksimaalista energiansäästöä.

Kuva 4. Bluetooth Smartin viestintäkaavio.

Matalatehoisen mikro-ohjaimen ominaisuudet

Toinen osa tehoyhtälöä on tietenkin mikro-ohjain. Tehonkulutusta määrittelevät ennen kaikkea tehotila ja kellotaajuus.

Monissa uusissa vähävirtaisissa ohjaimissa hyödynnetään erilaisia tehotiloja (power modes). Tämä tarkoittaa mahdollisuutta muuttaa ohjaimen konfiguraatiota ohjelmisto-ohjauksessa. Tyypilliset esimerkit tiloista ovat aja (run), nukahda (doze), tyhjäkäynti (idle), alhaisen jännitteen uni ja syväuni. Jokaisella näistä tiloista on avainominaisuuksia, jotka vaikuttavat tehoon. Esimerkiksi PIC-ohjaimessa on tyhjäkäynti (doze) ja alhaisen jännitteen unitilat. Doze-tilassa ohjain voi ajaa koodia alemmalla kellotaajuudella, kuin sen piirille integroidut oheislaitteet. Tämä pienentää virrankulutusta, mutta pitää silti oheislaitteet kuten UART-liitännän käynnissä oikealla baudinopeudella. Matalajännitteinen unitila kytkee pois päältä suorituskykyisen piirille integroidun regulaattorin ja käynnistää matalavirtaisen regulaattorin, joka pitää mikro-ohjaimen täysin käynnissä käyttämällä vain muutaman sadan nanoampeerin virtaa. Aja- eli run-tilasta tähän matalajännitteiseen unitilaan siirtyminen kutistaa virrankulutusta 99,9 prosenttia.

Kellokytkentä

Vähävirtaiset mikro-ohjaimet mahdollistavat myös kellon kytkennän lennossa. Tämä tarkoittaa mahdollisuutta muuttaa kellotaajuutta tehtävän mukaisesti. Jos ajaa laskentaintensiivisiä suodinalgoritmeja anturidatalle, käytetään täyttä kellotaajuutta. Yksinkertaisessa silmukassa ja keskeytystä odottaessa voidaan kellotaajuutta alentaa virran säästämiseksi. Näillä menetelmillä virrankulutus pienenee 5 milliampeerista 26 mikroampeeriin, mikä tarkoittaa 99 prosentin säästöä. Vähävirtaisilla mikro-ohjaimilla on helppo säätää energiaa.

Astu reunalle

IoT:n reunalle liittyminen on saavutettavissa laajalle valikoimalle laitteita. Käyttämällä sisäänrakennettuja vähävirtaisten mikro-ohjainten ja Bluetooth-radioiden ominaisuuksia on nyt mahdollista luoda IoT-yhteys laitteesta, joka täyttää energiansäästöä määrittelevät sääntelyt. Tämän yhteyden avulla on mahdollista kerätä, prosessoida ja lähettää dataa älypuhelimiin tavalla, joka ei ollut mahdollista vain muutama vuosi sitten. Älypuhelin toimii modernin elämän liittimenä, joka on samalla välitön yhdyskäytävä lisäarvoa tuoviin sovelluksiin. Kuluttajat arvostavat verkottuneisuutta, sillä sen avulla he voivat hallita kiireistä elämäänsä yhdellä, aina mukana olevalla laitteella eli älypuhelimellaan. Myös valmistajat hyötyvät tästä yhteydestä, jonka kautta ne saavat tietoonsa tuotteen suorituskyvyn ja käyttötavat. Tämä mahdollistaa nykyaikaiset markkinointi- ja palvelutekniikat, joiden avulla voidaan alentaa tuotteiden elinkaarikustannuksia ja saada lisätietoa laitteisen seuraavien sukupolvien kehitykseen.

IoT on täällä ja se tarjoaa uudenlaisia mahdollisuuksia. Hyppää mukaan!

Lisätietoja:

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_Things
2. https://developer.bluetooth.org/TechnologyOverview/Pages/BLE.aspx (2013)
3. http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70005191A%20(1).pdf (2014)
4. http://www.microchip.com//wwwAppNotes/AppNotes.aspx?appnote=en572728 (2014)