IoT je dostupný pro každého

Svět technologií se v těchto dnech vyvíjí rychleji než kdykoli předtím a tempo zavádění nových technologií pro bezdrátové používání za ním nijak nezaostává. Internet věcí („Internet of Things“, IoT) pohání inovace v téměř každé součásti našich životů. Jednoduché propojení „věcí“, které spolu nikdy předtím propojeny nebyly, vede k pochopení nových souvislostí, které lze převést do smysluplné změny. IoT je technologický megatrend, který nebude jen zátěžovým testem stávajících systémů, ale bude také výrazně formovat budoucnost malých i velkých firem v mnoha různých oborech. Podle odhadů zde na konci roku 2020 bylo 50 miliard zařízení propojených IoT a do roku 2025 jich bude 100 miliard.

Díky změně přenosových standardů, které se přizpůsobily zařízením IoT, nebylo pro nadšence bezdrátových technologií nikdy snazší pokusit se o vlastní návrh nového schématu modulace. Ke spárování bezdrátového spojení je k dispozici spousta nových snímačů. Tyto technologie jsou všem mnohem přístupnější, než byly kdykoli dříve. V tomto článku se budou rozebírat tyto jednotlivé vývoje a to, jak se každý může pokusit pracovat s touto nenákladnou a všudypřítomnou technologií – hned teď.

V infrastruktuře mobilních operátorů jsou k dispozici rádiové technologie nízkoenergetické sítě pro rozsáhlá území („Low Power Wide Area Network“, LPWAN), které existují již několik let. Oblíbená je technologie úzkopásmové sítě („Narrow Band Internet of Things“, NB-IoT), komunikace typu stroje dlouhodobé evoluce (LTE-M a LTE-MTC) a vylepšená komunikace typu stroje („enhanced Machine Type Communication“, eMTC). Výhodou těchto technologií je využití stávajících vysílačů mobilních operátorů, které se používají k přenosu hlasu a širokého pásma. Zařízení, které potřebuje pouze příležitostné hlášení a ovládání, však nevyžaduje velkou šířku pásma. Velká část zařízení je také napájena bateriemi, a proto vznikla potřeba nízkoenergetických standardů pro menší šířky pásma a standardy těchto technologií tyto požadavky splňují.

Jako další technologie, které nevyužívají stávající sítě mobilních operátorů a musí mít vybudovanou vlastní infrastrukturu, bychom mezi jinými mohli jmenovat například Sigfox, LoRa/LoRaWAN a NB-Fi. Nevýhodou těchto sítí je nutnost uplinku k připojení k rozšířenějšímu internetu. Tyto firmy, které nejsou operátory mobilních sítí, poskytují takový uplink jako službu, přesto jde o další počítačový síťový systém, se kterým je nutné počítat.

Operátoři mobilních sítí jsou však obrovské společnosti a není reálné jim efektivně konkurovat. Nejvýhodnější cestou je si přizpůsobením modemů, které vyhovují jejich standardům, zakoupit v jejich sítích „čas“ a poté platit měsíční tarif za používání.

Jiné než mobilní sítě lze postavit s nejskromnějšími prostředky a s tím omezením, že jejich geografické pokrytí není celosvětové – pokud se však nenapojí na server, který je přemostí k internetu. Bez ohledu na to existuje mnoho sítí, které nevyžadují celosvětovou konektivitu. Takovým příkladem jsou prostory výrobního závodu s vybavením a snímači výroby. Síť by vlastně měla být při takovém použití izolována.

Dobrou zprávou je, že je k dispozici přístup k mobilním sítím a čipy a moduly k sestavení nízkoenergetické sítě a tarify mohou stát kolem pouhých 3 USD měsíčně. Je k tomu třeba pouze modem certifikovaný operátorem mobilní sítě a jakékoli zařízení může být po celém světě „online“.

Možnosti elektronických řešení modulů neustále dramaticky rostou. Namísto odborníka, který by vše navrhoval na úrovni čipů, může návrhář získat přednastavenou a certifikovanou rádiovou technologii. Nesnižuje se tím jen množství nutného penza znalostí z oboru rádiových frekvencí, ale výrobky se tím také dostávají rychleji na trh. Při nedávno sondě, kdy se zkoumalo, jaké čipy se v modulech používají a poté jaký typ zákazníků jednotlivé typy kupuje, se došlo k překvapivému zjištění, že společnosti, které mají nezbytné penzum znalostí, nekupovaly pouze stejné čipy, které se používají v modulech, ale kupovaly také moduly a obojí v množstvích v řádu tisíců kusů – tedy ve výrobních množstvích. Podporuje to úvahu, že může být lepší přijít na trh rychle s výrobkem, který má méně optimalizované náklady, a na trhu jej otestovat, než se zcela od začátku pokoušet navrhovat výrobek s optimalizovanými náklady. Pokud je testovaný trh dostatečně velký, lze poté náklady na výrobek optimalizovat v celém rozsahu až na úroveň čipu. Ale je ještě nižší úroveň, než jsou čipy, a v tomto článku ji budeme nazývat úroveň vlnové délky.

Rádiová zařízení se softwarově řízenými parametry („Software Defined Radios“, SDRs) umožňují vývojářům experimentovat se zcela novými schématy modulace. Pokud existuje nějaká specifická potřeba a vývojář má požadované znalosti, lze vyvinout vlastní rádiový standard. I v případě, že vývojář znalosti v tomto oboru nemá, může se experimentováním se zařízením SDR mnoho naučit a užít spoustu zábavy. Například kolega autora tohoto článku má patent na dekódování stereovysílání v pásmu FM interpolací hodnot signálu základního pásma přesně v tom okamžiku, kdy se shoduje levý a pravý tvar vlny signálu a bez časové synchronizace systému s operátorem RF. Jde o softwarový přístup ke kompozici dekompozice signálu a všechny tyto informace lze dnes implementovat do zařízení SDR. Zmíněný patent je starý téměř 30 let a bylo náročné jej vyvinout. Dnes je to s předem připravenými zařízením SDR snadné.

Jedním z takových zařízení SDR je od společnosti Analog Devices pokročilý modul učení PLUTO (ADALM-PLUTO), který je od září 2020 připraven k okamžitému odeslání za cenu kolem 150 USD. K počítači jej lze připojit přes konektor USB a modul obsahuje pole FPGA, které lze snadno překonfigurovat. Modul nabízí rozsáhlou podporu programovacího jazyka Python a může přijímat a odesílat signály v rozsahu od 325 MHz do 3,8 GHz. Pokud se chce návrhář skutečně něco dozvědět o rádiových frekvencích a používat je, může začít na této úrovni.

Vrátíme-li se k myšlence specifických produktů, množství snímačů s různými formami čipů a modulů rozrůstá po stovkách. Od distributorů včetně společnosti DigiKey jsou k dispozici doslova stovky tisíc různých snímačů, což dohromady dělá více než 210 000 různých snímačů.

Zde je uvedeno několik různých typů snímačů, které jsou k dispozici:

• Snímače přiblížení
• Snímače, měniče – snímače teploty – analogový a digitální výstup
• Snímače, měniče – speciální snímače
• Snímače, měniče – snímače plynu
• Snímače, měniče – snímače polohy – lineární měření úhlu a polohy
• Snímače, měniče – snímače a převodníky tlaku
• Snímače, měniče – snímače vlhkosti
• Snímače, měniče – snímače proudu
• Snímače, měniče – optické snímače – snímače okolního světla, IR a UV
• Snímače, měniče – optické snímače – měření vzdálenosti
• Vývojové desky, soupravy, programátory – vyhodnocovací desky – snímače
• Snímače, měniče – magnetické snímače – poloha, přiblížení, rychlost
• Snímače, měniče – optické snímače – fotoelektrické, průmyslové
• Snímače, měniče – snímače pohybu – akcelerometry
• Snímače, měniče – obrazové snímače pro kamery

Jakýkoli z těchto snímačů nebo jakoukoli jejich kombinaci lze zabudovat do produktu, který lze připojit k internetu prostřednictvím široké řady možností bezdrátového spojení.

Příklad online projektu, který ukazuje připojení ovládací jednotky rolet k internetu, lze nalézt na webu maker.io s „TMC5161 společnosti Trinamic + AVR-IoT WG společnosti Microchip + IoT Studio k měření teploty od společnosti DigiKey“ (obr. 1).

Obrázek 1: Projekt dálkově ovládaných rolet je popsán v projektu maker.io „Nastartujte a inovujte svůj návrh rolet“. (Zdroj obrázku: maker.io)

Vývojová souprava společnosti Microchip Technology je určena pro použití automatizace IoT v chytrých domácnostech. Další podrobnosti lze nalézt zde: Vyhodnocovací sada domácí automatizace IoT (obr. 2).

Obrázek 2: Vyhodnocovací sada domácí automatizace IoT společnosti Microchip (Zdroj obrázku: společnost Microchip)

Shrnutí

K IoT má přístup každý a vývojové soupravy uváděné v tomto článku jsou pouze příkladem nástrojů, které mají návrháři IoT k dispozici.

Na závěr vám popřeji mnoho štěstí při vývoji další velké „věci“ připojené k internetu věcí tohoto propojeného světa.