Kun tulevaisuudessa astumme huoneeseen, automaatio säätää valaistuksen, mediasoittimemme äänen, lämmityksen ja ilmastoinnin juuri haluamalle tasolle. Tämä tulevaisuuden IoT-älykoti nojaa pitkälti uuteen anturitekniikkaan.
| Artikkelin kirjoittaja Félix Marchal on itävaltalaisen ams:n koti- ja rakennusautomaatioalueen tuotteiden sovellusmarkkinoinnin ja liiketoiminnan kehityksen johtaja. Hänellä on 28 vuoden kokemus puolijohde- ja tietoliikennealalta. Félixin ominta osaamisaluetta on anturista-pilveen -strategioiden ja -ratkaisujen kehitys. Ennen ams:n palvelukseen tuloaan Marchal työskenteli 12 vuotta Telitin globaalista myynnistä vastaavana johtajana. Hänellä on tietotekniikan tutkinto Nancyn polyteknisestä korkeakoulusta ja MBA-tutkinto Toulousen kauppakorkeasta. |
Termejä kuten älykoti ja älykaupunki käytetään laajasti, vaikkei niiden määritelmästä olekaan sovittu. On kuitenkin laajalti hyväksytty konsensus siitä, että kodin tai kaupungin älykkyys tarkoittaa pitkälle vietyä automatisointia ja personointia. Esimerkiksi älykodissa tulevaisuuden olohuonetta voidaan ohjata pilveen liitetyllä AEP-sovellusalustalla (Application Enablement Platform), joka on itseoppinut tietämään jokaisen perheenjäsenen haluamat valaistuksen, äänen, viihteen, tuoksun, lämmityksen ja ilmastoinnin toiveet ja joka automaattisesti säätää jokaisen asetuksen, kun tiedetty henkilö astuu huoneeseen.
Tällainen älykotiskenaario tuottaa käyttäjälle miellyttävämmän, tarkasti omien toiveiden mukaan räätälöidyn ympäristön, joka samalla pienentää energiankulutusta ja poistaa tarpeen käyttää vanhakantaisia käyttäjäsäätimiä kuten valokytkimiä ja termostaatteja.
Tällaisten IoT-järjestelmien yksi houkutteleva ominaisuus on niiden näkymättömyys käyttäjälle. Vain kävelemällä huoneeseen käyttäjä voi käynnistää lämmityksen, ilmastoinnin, äänet ja muiden järjestelmien asettumisen.
Mitä teknisiä kehityksiä tarvitaan tämä vision toteuttamiseen? Selvästi ainakin koneoppiminen ja pilveen tallennettu edistynyt ohjelmisto ovat keskeisessä roolissa. Toinen tärkeä elementti on kyky aistia laajasti reaalimaailman ilmiöitä, jotta koneet voivat reagoida maailmalla ihmisten tavoin.
Mitkä uudet anturikyvykkyydet mahdollistavat sen, että IoT-pohjainen teknologia tuo personoidun ja älykkäästi konfiguroitavan toiminnan? Ja missä sovelluksissa niitä todennäköisimmin otetaan käyttöön?
Pilvi ei ole mitään ilman dataa
Pilvipohjaiset teknologiat ovat jo mullistamassa yleisten järjestelmien ja palvelujen tehokkuutta, vasteaikoja ja mukavuutta. Älykaupungissa Uberin tilaustaksipalvelu on erinomainen esimerkki siitä, miten yhdessä koordinoitu käyttäjien pyynnöt ja reaaliaikainen datanprosessointi edistyneillä algoritmeilla pilvessä voi mullistaa kuljetusalan.
IoT-yleistermin alla miljoonat pilveen liitetyt palvelut tekevät samanlaisia ”temppuja” yhdistäen useita erillisiä datavirtoja tuottaakseen personoituja, nopeita palveluja. IoT:n nopeaa yleistymistä koskevissa keskusteluissa on ymmärrettävästi keskitytty ensisijaiset niihin teknologioihin ja järjestelmiin, joilla solmuja liitetään pilveen, ja tarvittaviin analytiikkakykyisin, joilla käyttäjien laitteista ja muista IoT-solmuista tulevasta Big Datan syötteistä saadaan jotain järkevää irti.
Kaikki tämä pilvipohjainen älykkyys on arvotonta ilman käyttökelpoista dataa. Tässä pätee vanha ”roskaa sisään, roskaa ulos” -sääntö. Suuri osa pilvijärjestelmiin lähetetystä datasta tulee antureista, joista useimpia ei ole vielä edes asennettu ja joista joitakin ei ole vielä edes keksitty. Älyvalaistusjärjestelmät vaativat tarkkaa tietoa ympäröivän valon spektrimallista ja voimakkuudesta. Älykkäiden ilmastointijärjestelmien täytyy ”haistaa” ilma, jota käyttäjät hengittävät. Älykkään liikenteenohjauksen täytyy ”nähdä” ja paikantaa ajoneuvot teillä.
On anturien tehtävä nähdä, haistaa, tuntea ja kuulla, mitä reaalimaailmassa tapahtuu, reaaliajassa. Tämän takia anturitekniikat ja -ratkaisut ovat yhtä lailla etujoukoissa IoT-tekniikoissa kuin vähävirtaiset radiopiirit ja pilvilaskentajärjestelmät.
Älykäs valaistuksen hallinta
Esimerkki tästä voidaan löytää valaistuksesta. 1900-luvulla valaistus oli low-tech -yrittämistä. Erilaiset hehkulampputekniikat hallitsivat markkinoita ja kaikki valmistivat lamppuja, jotka tuottivat tietynlaista kiinteää värilämpötilaa (CCT, Correlated Color Temperature).
2000-luvulla uusi tietämys valaistuksen merkityksestä ihmisen terveydelle ja käyttäytymiseen on johtanut uusiin väriohjatun ja personoidun valaistuksen sovelluksiin. Esimerkiksi tutkimus on osoittanut yhteyden valon spektrin ja hyvinvoinnin välillä, mikä johtuu ihmisen vuorokausirytmistä. Kirkas päivänvalo käynnistää hormonaalisia vasteita, jotka aktivoivat kroppaa, ja illan kultainen keltaisuus tuottaa rentoutumisen ja rauhallisen käyttäytymisen.
Älyvalaistus voi automaattisesti heijastaa päivänvalon spektrisisällön muutosta töissä tai kotona käytetyssä keinotekoisessa valaistuksessa. Tämä edellyttää piiritason väriantureita, jotka voivat tarkasti mitata valon CCT-arvon ihmissilmän tavoin. ams:n XYZ-anturissa käytetään edistyneitä piin valmistustekniikoita, joilla rakennetaan optisia suotimia suoraan kiekolla, millä saadaan aikaan ennen näkemätön fotodiodien optisen vasteen kontrolli kuloiseenkin valoon (ks. kuva 1).
Älykkäässä valaistuksen ohjauksessa tämä valon aistimiskyky voidaan yhdistää kasvontunnistusteknologiaan ja sen jälkeen näkymättömästi virittää valaistus yksittäisten toiveiden mukaan. Esimerkiksi vanhukset näkevät nuoria vähemmän terävästi näkyvän valon sinisessä päässä. Nähdäkseen kunnolla vahvasti sinisiä kohteita vanhukset tarvitsevat valaistuksen, joka korostaa sinisiä aallonpituuksia. Jos kotona on sekä lapsia että vanhuksia, valaistusohjaus voisi tuottaa spektriä, joka on viritetty eri tavoin eri henkilöiden tarpeiden mukaan.
Kuva 1: Älyvalaistuksen ohjain AS7221 mahdollistaa valon CCT-arvon tarkan kontrollin.
Kasvojentunnistus, jota älypuhelimissa käytetään jo menestyksellä, voisi rekisteröidä huoneen asukin identiteetin ja sen perusteella automaattisesti säätää valaistuksen spektriä.
Tässäkin anturiteknologia mahdollistaa edistysaskeleet IoT-järjestelmän kehityksessä. Kasvojentunnistus riippuu useiden mikroelektroniikan komponenttien integroinnista. Valonlähetin vaatii pienikokoisen laserin ja integroidun mikro-optiikan, ja heijastuvan valon mittausten sieppaamisen valoherkällä anturilla. Ne edellyttävät edistynyttä prosessointia, jotta kasvojen syvyyskartta voidaan tuottaa, ja tätä karttaa voidaan analysoida mahdollisen vastaavuuden löytämiseksi (ks. kuva 2).
Tällaisen kasvojentunnistusjärjestelmän erilliset elementit ovat toisistaan riippuvaisia, joten ams:n kaltaiset anturivalmistajat työskentelevät toimittaakseen OEM-asiakkailleen – esimerkiksi kotiautomaatiolaitteiden valmistajille - integroituja järjestelmiä, joissa kasvojentunnistus on valmiina.
Kuva 2: 3D-infrapunasyvyyskartta mahdollistaa tarkan ja luotettavan kasvojen tunnistamisen erilaisissa toimintaolosuhteissa.
Personoitu sisätila
Tämä visio sisätilojen personoidusta hallinnasta voidaan laajentaa valaistuksesta henkilön hengittämään ilmaan.
Tässäkin puolijohdeanturiratkaisut tuovat uuden tavan tuottaa personointi IoT-järjestelmiin. CMOS-kaasuanturien uusimmat sukupolvet voivat tuottaa hyvin tarkkoja mittauksia hajujen ja saasteiden suhteellisesta pitoisuudesta – kuten keittämisen tuottamista VOC-yhdisteistä (volatile organic compounds) ja puhdistusaineiden kemiallisista päästöistä.
Valvontakameran tai älykaiuttimen kaltaiseen hubiin integroituina tällainen kaasuanturi voisi mahdollistaa kodin sisätilan reaaliaikaisen monitoroinnin ja ilmastoinnin etäkäynnistämisen, jolla voidaan varmistaa, että rakennuksen sisäilma on puhdasta ja raikasta aina, kun joku astuu sisään.
Piiritason kaasuanturi pystyy tekemään raakamittaukset VOC-keskittymistä. Sisä-ilman monitoroinnin integroiminen esimerkiksi älykaiuttimeen edellyttää kuitenkin, että kaiuttimen valmistajan on tiedettävä miten suhteellisten kaasupitoisuuksien raakamittaukset muunnetaan käyttökelpoiseksi informaatioksi, kuten sisäilman laatua kuvaaviksi numeroiksi. Tämä vaatii algoritmien ja firmware-ohjelmiston integrointia itse anturiin, jotta saadaan aikaan kokonainen korttitason ratkaisu sisäilman monitorointiin.
Uudet innovaatiot piillä ja ohjelmistoissa
Monet elektroniikkavalmistajat aikovat esitellä tuotteistansa uusia versioita, jotka tarjoavat käyttäjilleen etuja IoT-verkkoihin integroinnin myötä. Oikeutetusti he ovat usein huolestuneita datayhteyden toteuttamisesta ja data-analytiikasta, sekä arvokkaiden pilvessä isännöityjen sovellusten tuomisesta loppukäyttäjille.
Näihin ongelmiin tuodaan jatkuvasti uusia ratkaisuja markkinoille. Yhtä tärkeää IoT-laitevlamostajille ovat edistysaskeleet anturitekniikoissa, jotka tukevat uuden polven älykkäiden, personoitujen sovellusten kuten koti- ja rakennusautomaation ja valaistuksen kehitystä. Näissä anturityypeissä hyödynnetään puolijohdeteknologiaa korkeimman mahdollisen mittaussuorituskyvyn saamiseksi pienessä koossa, ja integroimalla niihin oheislaitteita ja ohjelmistoja, joiden avulla rakennetaan kokonaisia ratkaisuja edistyneille sovelluksille kuten sisäilman monitorointiin tai kasvojen tunnistukseen.
Edistyneet anturitekniikat ja -ratkaisut ovat sksi IoT:n teknisen kehityksen terävintä huippua, ja tällä alueella ams aikoo jatkaa johtavassa roolissa.
Yhteenveto
On yleisesti hyväksyttyä, että älykodin tai älykaupungin ”älykkyys” vihjaa suurelta osin automaatioon ja personointiin. Esimerkiksi älykodissa tulevaisuuden olohuone voi operoida pilveen liitetyn AEP-sovellusalustan ohjauksessa, joka on itseoppinut tietämään jokaisen kodissa asuvan toiveen valaistuksen, äänentoiston, viihteen, tuoksujen, lämmityksen ja ilmastoinnin suhteen. Nämä asetukset säätyvät automaattisesti kohdalleen, kun ko. henkilö astuu huoneeseen.
Tällainen älykoti tuo käyttäjälle miellyttävämmän ja tarkemmin käyttäjän toiveisiin räätälöidyn ympäristön samalla, kun se pienentää energian ja muiden resurssien tuhlaamista, ja irrottautuu vanhojen ohjausmenetelmien kuten valokytkimien ja termostaattien tarpeesta.
Autoteollisuus on siirtymässä yhä monimutkaisempiin ohjelmistopohjaisiin järjestelmiin, joissa virheetön ohjelmisto on elintärkeää turvallisuuden ja suorituskyvyn varmistamiseksi. Ohjelmiston laatu ja luotettavuus eivät ole enää vain valinnaisia ominaisuuksia, vaan kriittisiä vaatimuksia erityisesti autonomisessa ajamisessa, kehittyneissä kuljettajaa avustavissa järjestelmissä (ADAS) ja yhdistetyissä ajoneuvojärjestelmissä.
Kestävä digitaalinen infrastruktuuri on kriittinen, jotta tietoliikenneverkot voidaan tehokkaasti valjastaa tekoälyinnovaatioiden ja pilvipohjaisten palveluiden tarpeisiin. Tekoälyyn liittyvien datarikkaiden sovellusten lisääntyvä kysyntä edellyttää tietoliikenneverkkoa, joka kykenee käsittelemään suuria tietomääriä alhaisella viiveellä, kirjoittaa Orange Businessin kumppaniratkaisuista vastaava Carl Hansson.
Euroopan unioni ottaa merkittävän askeleen avaruusteknologian kehittämisessä allekirjoittamalla sopimuksen uuden IRIS²-satelliittijärjestelmän toteuttamisesta. Tämä 290 satelliitin verkko on suunniteltu vahvistamaan Euroopan itsenäisyyttä ja turvallista yhteydenpitoa.
Jotta voidaan vastata uuden teknologian vaatimuksiin ja pitää järjestelmät toimimassa ”kellon tavoin”, on aika harkita ajoitusratkaisuja uudelleen. Tässä kaksiosaisessa "Precision Timing" -artikkelissa opit, miksi mikroelektromekaanisiin järjestelmiin eli MEMS-komponentteihin perustuvat piiajoituslaitteet päihittävät kvartsin elektroniikkasuunnittelun uudella aikakaudella. 
Matalatehoisten langattomien ratkaisujen asiantuntija Nordic Semiconductor ja eSIM-ratkaisuja kehittävä Kigen ovat julkistaneet yhteistyön, joka sujuvoittaa massiivisten IoT-verkkojen käyttöönottoa. Yhdessä he esittelevät CES 2025 -messuilla ratkaisun, joka yhdistää Nordic Semiconductorin nRF9151-moduulin ja Kigenin SGP.32 IoT eSIM-teknologian sekä laitteiden hallinta-alustan.
