Internet rzeczy jest dostępny dla każdego

Świat technologii zmienia się obecnie szybciej niż kiedykolwiek, a tempo wprowadzania nowych technologii w zastosowaniach bezprzewodowych nie spada. Internet rzeczy (IoT) napędza innowacje w prawie każdej dziedzinie naszego życia. Podłączenie do sieci „rzeczy”, które nigdy wcześniej nie były z nią połączone, skutkuje nowymi spostrzeżeniami dotyczącymi danych, przekładającymi się na duże zmiany na świecie. IoT to megatrend technologiczny, który nie tylko będzie testem wytrzymałościowym dla starszych systemów, ale także ukształtuje losy małych i dużych firm w wielu różnych branżach. Szacuje się, że do końca 2020 r. 50 miliardów urządzeń będzie podłączonych do Internetu rzeczy, a do 2025 r. - 100 miliardów.

Ponieważ standardy transmisji zmieniły się w celu dostosowania do urządzeń IoT, spróbowanie swoich sił w projektowaniu nowego schematu modulacji nigdy nie było prostsze dla entuzjastów łączności bezprzewodowej. W tym momencie dostępnych jest wiele nowych czujników, które można sparować z łączem bezprzewodowym. Technologie te są również łatwiej dostępne niż kiedykolwiek wcześniej. W niniejszym artykule omówiono poszczególne prace rozwojowe i opisano, jak można uzyskać dostęp do tej niedrogiej i wszechobecnej technologii.

Technologie radiowe sieci rozległych niskiej mocy (LPWAN) są dostępne w infrastrukturze komórkowej i istnieją od kilku lat. Popularne są: Narrowband IoT (NB-IoT), łączność typu maszyna-maszyna Long Term Evolution (LTE-M i LTE-MTC) oraz rozszerzona komunikacja typu maszyna-maszyna (eMTC). Zaletą tych technologii jest wykorzystanie istniejących wież sieci komórkowych, które są używane do transmisji głosu i ruchu o wysokiej przepustowości. Jednak urządzenie, które wymaga jedynie sporadycznego raportowania i kontroli, nie wymaga dużej przepustowości, a ponieważ wiele z nich posiada zasilanie bateryjne, zaistniała potrzeba zastosowania standardów niższej mocy i niższej przepustowości. Te możliwości otwierają właśnie wspomniane standardy technologiczne.

Do innych technologii, które nie wykorzystują istniejących sieci komórkowych i dla których trzeba zbudować nową infrastrukturę, należą między innymi Sigfox, LoRa/LoRaWAN i NB-Fi. Ich wadą jest konieczność podłączenia do szerszego Internetu. Podczas gdy operatorzy sieci innych niż komórkowe oferują podłączenie jako usługę, jest to kolejny system sieci komputerowej, który trzeba przedyskutować.

Jednak operatorzy sieci komórkowych to ogromne firmy, a skuteczna konkurencja z nimi jest po prostu nierealna. Najlepiej jest kupić „czas” w ich sieciach, wykorzystując modemy, które są zgodne z ich standardami, a następnie zapłacić miesięczną taryfę lub abonament.

Sieci inne niż komórkowe można budować przy skromnym budżecie i z ograniczeniem, że przestrzeń, którą obejmują, nie zakłada łączności na całym świecie, dopóki sieci te nie zostaną podłączone do serwera, który przeniesie dane do Internetu. Niezależnie od tego, istnieje też wiele sieci, które nie wymagają łączności na całym świecie. Przykładem mogą być przemysłowe czujniki montażowe i produkcyjne. Tak naprawdę w przypadku tych zastosowań sieć powinna być odizolowana.

Na szczęście dostęp do sieci komórkowych oraz układy i moduły do budowy sieci niskiej mocy są szeroko dostępne, a plany transmisji danych w sieci mogą kosztować zaledwie kilkanaście złotych miesięcznie. Potrzebny jest jedynie modem z certyfikatem operatora komórkowego i każde urządzenie na całym świecie może działać „online”.

Modułowe rozwiązania elektroniczne rozwijają się w ogromnym tempie. Projektant już nie potrzebuje wiedzy fachowej z zakresu projektowania na poziomie mikroukładów - może natomiast uzyskać wstępnie zbudowane i certyfikowane radio. Dzięki temu nie tylko nie potrzeba już tak wnikliwej wiedzy na temat łączności z wykorzystaniem częstotliwości radiowych (RF), ale także można szybciej wprowadzić produkty na rynek. Niedawno przeprowadzona analiza mikroukładów stosowanych w modułach oraz rodzajów klientów, którzy je kupują, okazało się, że firmy posiadające niezbędną wiedzę, nie tylko kupowały te same układy i stosowały je w swoich modułach, ale także kupowały gotowe moduły - i to w tysiącach (ilości produkcyjne). To oznacza, że lepiej jest wcześnie wejść na rynek z produktem mniej zoptymalizowanym pod względem kosztów, aby przetestować rynek pod kątem nowego produktu, niż projektować produkt zoptymalizowany pod względem kosztów od samego początku. Jeśli testowany rynek jest wystarczająco duży, produkt można wtedy zoptymalizować pod względem kosztów schodząc aż do poziomu mikroukładu. Ale istnieje jeszcze niższy poziom od mikroukładów, który w tym artykule nazwano poziomem falowym.

Radia programowalne (SDR) pozwalają deweloperom na eksperymentowanie ze zupełnie nowymi schematami modulacji. Jeśli zachodzi wyjątkowa potrzeba, a projektant ma odpowiednie doświadczenie, może opracować własny standard radiowy. Nawet jeśli projektant nie posiada wiedzy fachowej, eksperymentowanie z SDR może go wiele nauczyć i po prostu sprawia radość. Na przykład, kolega autora tego artykułu posiada patent na dekodowanie transmisji stereofonicznych FM poprzez interpolację wartości sygnału pasma bazowego dokładnie w momencie, gdy sygnał jest równy lewej lub prawej fali i to bez zegara synchronizującego system z nośną RF. Jest to programowe podejście do dekompozycji złożonego sygnału, które można dzisiaj w całości zaimplementować w radiach programowalnych (SDR). Ten patent ma prawie 30 lat, a jego opracowanie było nie lada wyzwaniem. Dziś jest to proste dzięki gotowym radiom programowalnym (SDR).

Jednym z takich radiów programowalnych (SDR) jest zaawansowany moduł edukacyjny PLUTO (ADALM-PLUTO) firmy Analog Devices, od września 2020 dostępny do wysyłki w cenie około 150 dolarów. Moduł ten łączy się z komputerem osobistym przez łącze USB, zawiera bezpośrednio programowalną macierz bramek (FPGA), którą łatwo skonfigurować, zawiera szerokie wsparcie dla języka programowania Python i może nadawać oraz odbierać sygnały w zakresie od 325MHz do 3,8GHz. Jeśli projektant naprawdę chce poznać i wykorzystywać częstotliwości radiowe (RF), może zacząć właśnie od tego poziomu.

Wracając do kwestii konkretnych produktów - obserwujemy dynamiczny rozwój czujników w postaci układów i modułów. Dosłownie setki tysięcy różnych czujników są dostępne u dystrybutorów - również w firmie DigiKey, która oferuje ponad 210 tysięcy różnych czujników.

Oto niektóre z dostępnych typów czujników:

• Czujniki zbliżeniowe
• Czujniki, przetworniki czujników temperatury - wyjścia analogowe i cyfrowe
• Czujniki, przetworniki czujników specjalistycznych
• Czujniki, przetworniki czujników gazowych
• Czujniki, przetworniki czujników położenia - kąt, pomiar położenia liniowego
• Czujniki, przetworniki czujników ciśnienia, przetworniki
• Czujniki, przetworniki czujników wilgotności i wilgoci
• Czujniki, przetworniki czujników prądu
• Czujniki, przetworniki czujników optycznych - czujniki światła zastanego, podczerwieni, ultrafioletu
• Czujniki, przetworniki czujników optycznych - pomiar odległości
• Płytki rozwojowe, zestawy, płytki ewaluacyjne dla programistów - czujniki
• Czujniki, przetworniki czujników magnetycznych - położenie, zbliżenie, prędkość
• Czujniki, przetworniki czujników optycznych - fotoelektryczne, przemysłowe
• Czujniki, przetworniki czujników ruchu - przyspieszeniomierze
• Czujniki, przetworniki czujników obrazu, kamera

Każdy z tych czujników lub dowolne ich połączenie można wbudować w produkt, który może następnie łączyć się z Internetem za pomocą wielu różnych opcji bezprzewodowych.

Na przykład: na stronie maker.io w części „Trinamic’s TMC5161 + Microchip’s AVR-IoT WG + DigiKey’s IoT Studio Temp” można znaleźć projekt online, który demonstruje podłączenie „sterownika rolet okiennych” do Internetu (ilustracja 1).

Ilustracja 1: projekt zdalnego sterowania roletami okiennymi pt. „Kickstart and Innovate your blind control design” na stronie maker.io. (Źródło ilustracji: maker.io)

Zestaw rozwojowy firmy Microchip Technology jest przeznaczony do inteligentnych zastosowań z zakresu automatyki domowej IoT, a więcej szczegółów można znaleźć tutaj: Zestaw ewaluacyjny automatyki domowej IoT (ilustracja 2).

Ilustracja 2: zestaw ewaluacyjny automatyki domowej IoT firmy Microchip. (Źródło ilustracji: Microchip)

Podsumowanie

Każdy ma dostęp do Internetu rzeczy (IoT), a zestawy rozwojowe omówione w tym artykule są tylko przykładami narzędzi dostępnych dla projektantów Internetu rzeczy.

Życzymy powodzenia w opracowywaniu kolejnej dużej „rzeczy”, którą podłączysz do dostępnego na całym świecie Internetu rzeczy