IoT-laitteiden verkkoon liittämiseen on tarjolla valtava määrä protokollia. Laitevalmistajan kannalta prosessia helpottaa huomattavasti, jos käyttää valmiiksi sertifioitua moduulia. ON Semiconductorin Sigfox-moduuli on tästä hyvä esimerkki.
|
Artikkelin kirjoittaja Brian Buchanan toimii ON Semiconductorilla |
langattomien liitäntäratkaisujen päällikkönä. Hän on ollut ON Semin palveluksessa jo yli 16 vuotta. Uransa Brian aloitti sekasignaalisuunnittelijana, joka kehitti ratkaisuja autoelektroniikkaan ja teollisuuden sovelluksiin. Tietotekniikan ja MBA-tutkinnot hänellä on Utahin yliopistosta. Esineiden internetin (IoT) tuoma tuottavuuden, ohjaustoimenpiteiden ja suorituskyvyn lisä tarjoaa hyödyntämismahdollisuuksia erilaisissa lopputuotteissa missä tahansa markkinoilla. Erityisesti IoT on saanut huomiota markkinoilla, joissa uusimman teknologian hyödyntäminen on aikaisemmin ollut vähäistä, etenkin teknologian vaatimien tiedonsiirron yhteyksien vajavaisuuden vuoksi.
Teollisuus- ja kulutussovelluksissa tunnistamisen, käsittelyn, havainnoinnin ja liitettävyyden tärkeimmät osat ovat keskeisiä asioita, jotka IoT-suunnittelussa on otettava huomioon. Modulaariset asenna-ja-käytä -tyyppiset ratkaisut nopeuttavat ja helpottavat merkittävästi uusien suunnittelujen tekemistä erilaisissa sovelluksissa, joista voidaan mainita muutamana esimerkkinä sellaiset sovellusalueet kuin älykäs koti/rakennus, hyvinvointi ja esineiden jäljitys. Paras hyöty saadaan silloin, kun modulaariset ratkaisut on varustettu niille räätälöidyille työkaluilla ja kun tarpeen niin vaatiessa ne on ennalta varmistettu täyttämään asianmukaisten kansainvälisten standardien ja protokollien vaatimukset.
Liitettävyys asettaa suuria haasteita, koska tarjolla on valtava määrä protokollia, jotka ovat enemmän tai vähemmän sidoksissa kunkin sovelluksen ominaispiirteisiin. Sisään rakennetun infrastruktuurinsa ja pitkän kantaman yhteyksiensä ansiosta Sigfox on nousemassa esiin yhtenä käyttökelpoisimmista protokollista. Monille potentiaalisille IoT-sovellusten suunnittelijoille Sigfox on kuitenkin varsin uudenlaista teknologiaa, joten sen soveltamisen haltuunoton helpottaminen on tärkeä edellytys IoT:n nopealle lisääntymiselle.
IoT-sovellusten asettamia haasteita
Arviolta yli 31 miljardia laitetta (esinettä) on jo liitetty esineiden internetiin ja joka päivä liitetään tuhansia lisää. Yhdessä nämä laitteet tuovat valtavan myönteisen muutoksen kuluttajien ja yritysten käyttöön kaikkialla maailmassa. Kodeissa automatiikka valaistuksen ohjauksessa säästää energiaa ja lisää turvallisuutta, sillä etätoimiset ovikellot mahdollistavat asujan ”kotona olemisen” mistä maailman kolkasta tahansa, mistä on olemassa yhteys internetiin. Yrityksissä tehtaissa ja muissa tiloissa voidaan valvoa jokaista yksityiskohtaa, jolloin saadaan enemmän dataa toiminnallisen tehokkuuden parantamiseksi kuin koskaan aikaisemmin.
Yritystoiminnoissa, joissa laitteita käytetään etäällä olevissa tiloissa, laitteiden toimintaa voidaan valvoa keskitetysti toimistoista käsin ja säästetään kustannuksissa, kun ei tarvitse säännöllisesti tehdä tarkastuskäyntejä paikan päällä. Monipuolisen data-analytiikan, reaaliaikaisen valvonnan, ennakoivan huollon ja ylläpidon sekä muiden arvokkaiden lisäominaisuuksien ansiosta IoT:n tuomista eduista pystytään saamaan entistä enemmän irti.
Monet IoT-laitteiden käytettävyyttä ja kannettavuutta edistävät ominaisuudet, kuten pieni koko, liitettävyys ja etäkäytön mahdollisuus, tuovat omat lisähaasteensa suunnittelijoille.
Samalla kun laitteiden tulee olla kooltaan riittävän pieniä mahtuakseen asennettavaksi ahtaisiin tiloihin, tulee IoT-solmuun integroida suuri määrä toimintoja. Tavallisia toimintoja ovat mikro-ohjaimella tapahtuva järjestelmän ja prosessidatan hallinta, erilaisilla antureilla suoritettavat mittaus- ja valvontatoiminnot ja salausteknologialla toteutettava varmistus siitä, että kaikki sensitiivinen data tallennetaan ja välitetään turvallisesti.
Tärkeitä ovat myös teholähteet. Vaikka monet IoT-laitteet sijaitsevat kodeissa, toimistoissa tai tuotantotiloissa, missä verkkojännite on käytettävissä, monet näistä laitteista ovat mukavuussyistä paristokäyttöisiä. Ja kaikki sähköttömissä tiloissa sijaitsevat laitteet ovat mitä todennäköisimmin paristokäyttöisiä.
Kokorajoitukset ja rajallinen paristosta saatavissa oleva energia asettavat suunnittelijoille monia haasteita, jotka on otettava huomioon valitsemalla ja käyttämällä pienikokoisia, hyvin vähän tehoa kuluttavia komponentteja ja kehittämällä edistyneitä tehonhallinnan algoritmejä, jotka takaavat, ettei arvokasta energiaa tuhlata.
IoT-laitteiden liitettävyyden haasteet
Toinen IoT-laitteisiin liittyvä haaste on toteuttaa tiedonsiirron rajapinta, joka on aivan oleellinen, kun halutaan yhdistää solmu ja IoT-laite toisiinsa. Tämä vaatii varsin paljon erityisosaamista ja suunnittelijan yksi suurimmista haasteista onkin valita kaikkein sopivin protokolla tai sopivimmat protokollat valtavasta tarjonnasta. Jotkut protokollista ovat hyvin erikoistuneita ja tarkoitettu joihinkin erityissovelluksiin, kun taas toiset kuten Bluetooth ja Wi-Fi ovat laajasti käytettyjä, tosin vain lyhyen kantaman sovelluksiin tarkoitettuja.
Pitkään matkapuhelinten solukkoteknologia oli lähes ainoa saatavissa oleva menetelmä, jolla on voitu yhdistää sellaiset solmut, jotka sijaitsevat kauempana toisistaan kuin mitä lyhyen kantaman langattomilla teknologioilla kuten Bluetoothilla saadaan yhdistettyä. Matkapuhelinteknologia on kuitenkin tarkoitettu puheen ja suurinopeuksisen datan siirtämiseen, mikä kuluttaa paljon tehoa ja tekee siitä huonosti sopivan yksinkertaiseen koneelta-koneelle (M2M) tiedonsiirtoon, jota IoT käyttää ja johon IoT perustuu.
Sigfox on solukkotyyppinen järjestelmä, joka on kehitetty pienen tehonkulutuksen, pitkän kantaman, pienen datanopeuden ja etäällä toisistaan sijaitsevien laitteiden, etenkin IoT-solmujen, välisen edullisen tiedonsiirron tarpeita silmällä pitäen. Yksinkertaiseen M2M-tiedonsiirtoon tarkoitettuna Sigfox-verkko mahdollistaa helpon liitettävyyden etäisyyksillä, jotka ovat paljon suurempia kuin mihin yksinkertainen pienitehoinen lähetin-vastaanotin yksin pystyy. Verkko hyödyntää UNB-teknologiaa (Ultra-Narrow Band), jolla voidaan yhdistää pienitehoinen lähetin-vastaanotin ja luotettava jatkuva tiedonsiirto.
Sigfox on suunniteltu sopimaan useimpiin IoT-sovelluksiin. Sillä on hyvin vähän rajoitteita: sovelluksen tulee lähettää enintään 140 kooltaan 12-tavuisia viestejä vuorokaudessa ja sovelluksen langattoman suorituskyvyn tulee olla 100 b/s. Kun mainitut ehdot täyttyvät, Sigfoxin avulla saadaan käyttöön luotettava, vähän tehoa kuluttava ja edullinen yhteysratkaisu.
Toisin kuin yleisesti käytössä oleviin tiedonsiirtoprotokolliin, kuten Bluetoothiin, liittyvä osaaminen on laajalle levinnyt, on Sigfox erikoistunutta asiantuntemusta vaativa protokolla. Sigfox-pohjaisen tiedonsiirron rajapinnan suunnittelu ja toteuttaminen vaatii, että suunnittelija opettelee ja tuntee hyvin protokollan vaatimukset. Tästä voi aiheutua teknologinen este tai ainakin rajoite yrityksille, jotka suunnittelevat pääsyä etäkäyttöisten IoT-laitteiden markkinoille.
Modulaarisuus madaltaa Sigfoxin soveltamiskynnystä
ON Semiconductor on aktiivinen tällä sektorilla. Se on julkistanut ohjelmoitavan Sigfox RF -lähetin-vastaanottimen SIP-järjestelmäkotelossa, johon on integroitu edistykselliselle SoC-järjestelmäpiirille RF-lähetin-vastaanotin tarvittavine ulkoisine komponentteineen, mukaan lukien TCXO. Tämä helpottaa ja nopeuttaa suunnittelun ja varmennuksen vaatimia prosesseja.
Tähän kuva.
AX-SIP-SFEU SiP-piiri tarjoaa käyttövalmiin Sigfox-yhteyden laitteen ja pilven välille ja siinä on mukana Sigfoxin LPWAN-tiedonsiirtoa hyödyntävät laitteesta pilveen ja pilvestä laitteeseen tietoa siirtävät yhteydet etäkäyttöisille IoT-sovelluksille. SiP-piiri sisältää Sigfox RF IC -piirin, erilliset RF-sovitinkomponentit, kaikki tarvittavat passiivikomponentit ja laitteisto-ohjelmistot yhdessä ja samassa paketissa. ON Semiconductorin ratkaisu on ennakkoon varmistettu olevan CE- ja Sigfox Verified -vaatimusten mukainen, joten suunnittelija voi olla varma sen sopivuudesta etäkäyttöisiin IoT-laitteisiin.
Kooltaan 7 mm x 9 mm x 1 mm oleva yhtenäisesti pinnoitettu kotelo takaa sen, että AX-SIP_SFEU sopii tilakriittisiin etäkäyttöisiin IoT-sovelluksiin. Itse asiassa piiri on yksi kompaktimmeista Sigfox Verified -ratkaisuista, joten suunnittelijan ei tarvitse huolehtia tilantarpeesta suunnitellessaan etäkäyttöisiä IoT-solmuja. Pienestä koosta on erityisesti hyötyä suunniteltaessa puettavan elektroniikan, omaisuuden/esineiden jäljitysmerkintöjen tai muita pientä kokoa edellyttävien sovellusten Sigfox-ratkaisuja.
Tehonkulutukseen liittyviä haasteita saadaan vähennettyä käyttämällä AX-SIP-SFEU:n tehonsäästötoimintoja (standby-, sleep- ja deep sleep -tilat) silloin, kun sovelluksen ei tarvitse lähettää mitään. Tehonsäästötilojen vaatimat virrat ovat 0,55 mA, 1,2 µA ja 180 nA, ja laite toimii CR2032-nappiparistolla. Vaihtoehtoisesti voidaan hyödyntää energiankeruutekniikoita, jolloin ei tarvita minkäänlaisia paristoja eikä paristojen hallintaa tai paristojen vaihtoja.
Yksi RF-suunnittelun haastavimmista puolista etenkin ensimmäisiä suunnitteluja tehtäessä on tarvittavien hyväksyntöjen saavuttaminen. AX-SIP-SFEU SiP-piiri on Sigfox Verified -verifioitu RC1-vyöhykeverkkoa varten, mikä tarkoittaa, että se on varmennettu täyttämään standardin RF- ja protokollavaatimukset, jolloin yhteistoimivuus voidaan taata. Lisäksi piiri on CE-sertifioitu, mikä takaa, että se täyttää Euroopan talousalueen alueella voimassa olevat terveyttä, turvallisuutta ja ympäristönsuojelua koskevat standardit.
Yhteenveto
Paljon uusia etuja ja mahdollisuuksia tuovassa esineiden internetissä suunnittelijoille haasteita asettaa IoT-solmuilta vaadittava pieni koko ja niihin integroitavien toimintojen suuri määrä. Sen lisäksi, että solmujen pitää täyttää fyysiset kokoon liittyvät rajoitteet ja tehonkulutukseen liittyvät vaatimukset, niiden on myös oltava kansainvälisten RF-tiedonsiirron standardien mukaisia. Tämä lisää ajantarvetta, kustannuksia ja riskejä suunnitteluprosessin aikana. Erityisen tärkeää tämä on suunniteltaessa etäkäyttöisiä laitteita, joissa tarvitaan pitkän kantaman yhteyksien toteuttamiseksi matkapuhelinverkkoja edullisempia ratkaisuja.
Ennakkoon varmennettu, pienikokoinen, vähän tehoa tarvitseva ON Semiconductorin AX-SIP-SFEU-moduuli on ratkaisu IoT-solmujen suunnittelijalle, joka haluaa olla varma, että solmu täyttää asianmukaiset RF-tiedonsiirtojärjestelmän vaatimukset ja on helposti ja lähes riskittömästi toteutettavissa. Tämä madaltaa IoT-suunnittelun teknologisia esteitä merkittävästi.
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.
