IoT on kaikkien saatavana

Teknologiamaailma muuttuu nykyään nopeammin kuin koskaan eikä vauhti jolla uutta teknologiaa tuodaan langattomiin sovelluksiin ole rauhoittunut. Esineiden Internet (IoT) synnyttää innovaatioita lähes kaikilla elämän osa-alueilla. Pelkästään jo aikaisemmin ilman verkkoyhteyttä olleiden ”esineiden” kytkeminen verkkoon johtaa uuteen ymmärrykseen niiden datan suhteen ja tämä puolestaan johtaa merkitykselliseen muutokseen. IoT on teknologian megatrendi, joka ei tarkoita ainoastaan vanhojen järjestelmien kestävyystestausta vaan joka myös muokkaa pienten ja suurten yritysten kohtaloa monilla erilaisilla aloilla. Verkkoon yhteydessä olevia IoT-laitteita arvioidaan olevan vuoden 2020 loppuun mennessä 50 miljardia kappaletta ja 100 miljardia vuoteen 2025 mennessä.

Siirtostandardeja on muutettu IoT-laitteet huomioiden eikä langattomista kiinnostuneiden henkilöiden ole koskaan aikaisemmin ole ollut yhtä helppoa yrittää uuden modulointitavan suunnittelua, tarjolla on runsaasti uusia antureita yhdistettäväksi langattomasti. Nämä teknologiat ovat myös helpommin saatavana kaikille kuin koskaan aikaisemmin. Tässä artikkelissa käsitellään kutakin näistä kehitysaskelista ja sitä miten kaikki voivat saada käsiinsä tätä edullista ja kaikkialla läsnä olevaa teknologiaa.

LPWAN (Low Power Wide Area Network) -radioteknologiat käyttävät solukkoinfrastruktuuria ja ne ovat olleet nyt käytössä useita vuosia. Myös NB-IoT (Narrow Band Internet of Things), LTE-M ja LTE-MTC (Long Term Evolution Machine Type Connection) sekä eMTC (enhanced Machine Type Communication ) ovat suosittuja. Näiden teknologioiden etuna on se, että ne hyödyntävät nykyisiä solukkotorneja, joita käytetään äänen siirrossa ja korkeaa kaistanleveyttä käyttävässä tiedonsiirrossa. Laite, jonka on lähetettävä raportti ja jota ohjataan ainoastaan satunnaisesti, ei kuitenkaan tarvitse korkeaa kaistanleveyttä. Koska monet näistä laitteista ovat akku- tai paristokäyttöisiä, tarvittiin vähävirtaisempia ja kaistanleveydeltään alhaisempia standardeja kuin edellä esitetyt teknologiastandardit mahdollistavat.

Muita teknologioita, joissa ei hyödynnetä olemassa olevia solukkoverkkoja ja joiden infrastruktuuri on rakennettava alusta lähtien, ovat muun muassa Sigfox, LoRa/LoRaWAN ja NB-Fi. Näiden haittapuolena on se, että ne vaativat yhteyden yleiseen internetiin. Vaikka näiden ei-solukkoverkkojen operaattorit tarjoavatkin tämän yhteyden palvelun muodossa, se on kuitenkin yksi tietokoneverkko/järjestelmä lisää käsiteltäväksi.

Solukkoverkko-operaattorit ovat kuitenkin valtavan kokoisia yrityksiä eikä niiden kanssa voi realistisesti kilpailla tehokkaasti. Paras tapa on ostaa “aikaa” näistä verkoista käyttämällä modeemia, joka on yhteensopiva kyseisten standardien kanssa ja maksaa sitten kuukausittaisesta käyttösopimuksesta.

Ei-solukkoverkkoja voidaan muodostaa pienillä kustannuksilla sillä rajoitteella, että niiden maantieteellinen kattavuus ei ole maailmanlaajuinen ellei niitä yhdistetä palvelimeen, joka yhdistää ne internetiin. On kuitenkin useita esimerkkejä verkoista, jotka eivät vaadi maailmanlaajuisia yhteyksiä. Esimerkki tästä on teollisuuslaitoksen kokoonpanotilat ja tuotantoanturit. Itse asiassa tällaiset sovellukset tulisi erottaa verkosta.

Hyvä uutinen on että solukkoverkkojen käyttömahdollisuus sekä siruja ja moduuleja vähävirtaisen verkon muodostamiseen on helposti saatavana ja verkkojen datapaketit alkavat noin 3 dollarista kuukaudessa. Siihen tarvitaan vain matkapuhelinoperaattorin hyväksymä modeemi ja mikä tahansa laite voi olla ”verkossa” maailmanlaajuisesti.

Elektroniset ratkaisut kasvavat dramaattista kasvuaan moduulien muodossa. Sen sijaan että vaadittaisiin asiantuntemusta piiritason suunnittelusta, suunnittelija voi hankkia valmiiksi rakennetun ja sertifioidun radion. Tämä ei ainoastaan vähennä vaadittavaa RF-teknistä ymmärrystä, vaan se myös saa tuotteet nopeammin markkinoille. Hiljattain suoritetussa tarkastuksessa selvitettiin ensin mitä piirejä moduuleissa käytetään. Sen jälkeen selvitettiin mitä tyyppejä eri asiakkaat ostivat. Oli yllättävää nähdä että yritykset, joilla oli tarvittava tietotaito, eivät ainoastaan ostaneet samoja piirejä kuin mitä moduuleissa käytetään, vaan ne ostivat myös moduuleita. Ne ostivat molempia tuhansittain – siis tuotantomääriä. Tämä tukee sitä näkökantaa, että on parempi päästä nopeasti markkinoille vähemmän kustannusoptimoidulla tuotteella ja testata markkinoita uudella tuotteella kuin suunnitella kustannusoptimoitu tuote heti alkuun. Jos testattava markkina on kyllin suuri, tuote voidaan tämän jälkeen optimoida kustannusten suhteen aivan piiritasoa myöten. Mutta on vielä piiritasoakin alhaisempi taso, jota tässä artikkelissa kutsutaan aaltomuototasoksi.

SDR (Software Defined Radio) -radiot mahdollistavat aivan uusien modulointimenetelmien kokeilemisen. Jos on uniikki tarve ja suunnittelijalla on tarvittava asiantuntemus, hän voi kehittää oman radiostandardinsa. Ja vaikka asiantuntemusta ei olisikaan, kokeileminen SDR-radiolla voi opettaa suunnittelijalle paljon. Se on myös hauskaa. Esimerkiksi tämän artikkelin kirjoittajan kollegalla on patentti FM-stereolähetysten dekoodaamisesta interpoloimalla kantataajuussignaalin arvolla juuri sillä hetkellä kun signaali vastaa vasenta tai oikeaa aaltomuotoa ja ilman järjestelmän kellosignaalin synkronointia RF-kantajan kanssa. Tämä on ohjelmistolähestymistapa komposiittisignaalin purkamiseen ja kaikki tämä voidaan nykyään tehdä SDR-radiolla. Kyseinen patentti on lähes 30 vuotta vanha ja sen kehitys oli hyvin haastavaa. Tämä voidaan nykyään tehdä helposti käyttövalmiilla SDR-radiolla.

Yksi tällainen SDR on Analog Devices -yrityksen Advanced Learning Module PLUTO (ADALM-PLUTO). Tuote on valmis lähetettäväksi ja sen hinta on syyskuussa 2020 noin 150 US-dollaria. Laite voidaan yhdistää tietokoneeseen USB-liitännällä ja se sisältää helposti konfiguroitavan FPGA-piirin. Se myös tukee monipuolisesti Python-ohjelmointikieltä ja laite pystyy lähettämään ja vastaanottamaan signaaleja taajuusalueella 325 MHz – 3,8 GHz. Jos suunnittelija todella haluaa ymmärtää ja käyttää RF:ää, hän voi aloittaa tältä tasolta.

Takaisin ideaan erityistuotteista, antureita on sadoittain erilaisina piireinä ja moduuleita on lukemattomasti. Erilaisia antureita on saatavana kirjaimellisesti satoja tuhansia sellaisilta toimittajilta kuten DigiKey, joka tarjoaa yli 210 000 erilaista anturia.

Tässä on eräitä erityyppisiä saatavana olevia antureita:

• Läheisyysanturit
• Anturit, muuntimet, lämpötila-anturit – analogisella ja digitaalisella lähdöllä
• Anturit, muuntimet, erikoiskäyttöön tarkoitetut anturit
• Anturit, muuntimet, kaasuanturit
• Anturit, muuntimet, asentoanturit – kulman, lineaarisen sijainnin mittaus
• Anturit, muuntimet, paineanturit, muuntimet
• Anturit, muuntimet, kosteusanturit
• Anturit, muuntimet, virta-anturit
• Anturit, muuntimet, optiset anturit – taustavalo-, IR-, UV-anturit
• Anturit, muuntimet, optiset anturit – etäisyyden mittaus
• Kehitysalustat, sarjat, ohjelmointilaitteet, arviointialustat – anturit
• Anturit, muuntimet, magneettiset anturit – sijainti, läheisyys, nopeus
• Anturit, muuntimet, optiset anturit – valosähköinen, teollisuus
• Anturit, muuntimet, liiketunnistimet – kiihtyvyysanturit
• Anturit, muuntimet, kuvakennot, kamera

Kaikki nämä anturit ja niiden yhdistelmät voidaan sisällyttää tuotteeseen, joka voidaan yhdistää internetiin erilaisten langattomien vaihtoehtojen välityksellä.

Esimerkkiprojekti, joka näyttää miten muodostaa yhteys internetiin, nimeltä “sälekaihtimien ohjaus” löytyy maker.io-palvelusta artikkelissa "Trinamicin TMC5161 + Microchipin AVR-IoT WG + Digi-Keyn IoT Studio Temp" (kuva 1).

Kuva 1: Sälekaihtimien kauko-ohjausprojekti niin kuin se on kuvattu maker.io-projektissa “Aloita ja innovoi sälekaihtimien ohjaus”. (Kuvan lähde: maker.io)

Microchip Technologyn kehitysalusta on tarkoitettu älykkäisiin IoT-kotiautomaatiosovelluksiin. Lisätietoja osoitteessa: IoT-kotiautomaation arviointisarja (kuva 2).

Kuva 2: Microchipin IoT-kotiautomaation arviointisarja. (Kuvan lähde: Microchip)

Yhteenveto

Tässä artikkelissa käsiteltävät IoT- ja kehitysalustat ovat kaikkien saatavilla ja ne ovat vain esimerkki IoT-kehittäjille tarjolla olevista työkaluista.

Lopuksi, onnea seuraavan suuren “esineen” kehittämisessä, joka yhdistetään Esineiden Internetiin tässä verkkoon yhdistetyssä maailmassa.