MCU de joasă putere şi dispozitivele radio Bluetooth pregătesc electrocasnicele pentru conectivitate cu miliarde de “Lucruri”

5 APRILIE 2017

Microchip_EA0317_DeschidereAcum Internetul Lucrurilor (IoT) este o realitate, iar electrocasnicele sunt bunuri ce oferă posesorilor lor controlul costului şi timpului, iar producă­torilor noi venituri şi modele de servicii. Proiectanţii de electrocasnice pot să îşi înzestreze produsele cu senzori pentru a monitoriza modu­rile de utilizare şi consumul de energie, cu ecrane de interfaţare pentru a arăta datele de utilizare, oferind în acelaşi timp servicii avantajase şi oportunităţi de achiziţionare.

Cu o implementare aşteptată a IoT (Internetului Lucrurilor) cu un ordin de mărime mai mare decât cel al telefoanelor inteligente, vor fi zeci de miliarde de “Lucruri” ce trebuie să fie puse în funcţiune. Proiectanţii de electrocasnice vor dori să reducă, sau cel puţin să menţină nivelele actuale de consum energetic – cu scopul de a respecta normele guvernamentale, dar să adauge capabilităţi IoT.
Pentru a răspunde acestei necesităţi, sunt necesare microcontrolere cu extrem de joasă putere şi circuite radio Bluetooth® inteligente. Ele reprezintă o cale flexibilă şi eficientă economic de a conecta obiecte la graniţa IoT.
Haideţi să explorăm aceste aspecte ale unui sistem IoT de joasă putere.

Definirea IoT
Există numeroase interpretări ale IoT, adesea depinzând de zona de piaţă deservită, dar o definiţie din Wikipedia1, după cum se poate observa în Figura 1, face o bună sintetizare a conceptului. Astfel, aplicând această definiţie la electrocasnice, un dispozitiv electrocasnic IoT trebuie să fie unic identificabil, să ofere conectivitate avansată, precum Bluetooth Smart sau Wi-Fi®, şi să se conecteze la infrastructura existentă a Internetului.

Microchip_EA0317_Fig-1

 Figura 1: Definirea IoT

Servicii activabile prin IoT
Electrocasnicele conectate la Internet introduc o nouă paradigmă atât pentru clienţi, cât şi pentru producători.
Pentru clienţi, conectarea oferă aparatelor valoare prin abilitatea de a controla costurile şi a gestiona timpul. Pentru producători, valoarea oferită este abi­litatea de a monitoriza performanţele echipamentului, de a rezolva pro-activ probleme de mentenanţă şi de a oferi structuri generatoare de venituri.

 

Client
Programarea timpului de funcţionare pentru perioadele cu cost redus al energiei
Utilizarea informaţiei de poziţie GPS a telefoanelor inteligente pentru controlul autonom al sistemelor HVAC
Controlul şi configurarea de la distanţă a electrocasnicelor prin aplicaţii pentru telefoane mobile
Utilizarea balizelor inteligente Bluetooth® pentru a oferi automat informaţii interactive
Utilizarea aplicaţiilor Cloud pentru a oferi recomandări şi tendinţe cu privire la utilizarea electrocasnicelor

Producător
Înregistrarea şi actualizarea parametrilor de funcţionare pentru a monitoriza performanţele componentelor
Unelte de marketing automate, legate de utilizarea produsului, pentru a oferi consumabile atunci când este nevoie
Identificarea problemelor de performanţă şi apelarea clientului pentru programarea unor servicii de mentenanţă
Capabilitate de diagnosticare de la distanţă, limitând deplasările în teren
Înregistrarea unor funcţii ţinând cont de populaţie şi geografie pentru a optimiza costul produselor şi R&D

Tabel 1: Top 5 cu exemple de servicii pentru noile electrocasnice.

Microchip_EA0317_Fig-2

Figura 2: Ierarhia profilului Bluetooth.

Microchip_EA0317_Tabel-1

Tabel 2: Comparaţie Bluetooth.

Activarea telefoanelor inteligente ca poartă pentru IoT-ul vostru
Telefoanele inteligente, MCU de joasă putere şi dispozitivele radio inteligente Bluetooth, oferă producătorilor de electrocasnice cea mai simplă cale de a adăuga capabilitate IoT produselor lor. Telefoanele inteligente sunt acum disponibile cu Bluetooth inteligent integrat, oferind instant o poartă de conectare la Internet, cu avantajul adăugat de a se conecta în mod simplu la aparatul electrocasnic. O aplicaţie de telefon mobil poate controla experienţa utilizatorului şi poate gestiona transferul de date către şi de la aplicaţie. Wi-Fi este o altă metodă de a conecta electrocasnicele la Internet, metodă ce oferă un canal instant de comunicare a datelor senzoriale, dar conectarea poate fi un pic mai solicitantă.
Bluetooth-ul inteligent oferă posibilitatea de a funcţiona ca baliză, simplificând substanţial procesul de conectare. Balizele pot să avertizeze asupra prezenţei lor3 atunci când sunt în apropierea telefonului mobil. Conectarea Wi-Fi, pe de altă parte, necesită apăsarea unui buton Wi-Fi Direct de pe router, care adesea se află în altă cameră.

Generarea de date valoroase
Valoarea conexiunii la IoT a aparatelor electrocasnice este generată de microcontrolerele de joasă putere, împreună cu un dispozitiv radio Bluetooth inteligent. MCU colectează datele de la senzori, precum consumul energetic sau numărul de ore de funcţionare, generate în cadrul aplicaţiei şi memorate în format utilizabil. Atunci când un telefon mobil se conectează cu aparatul electrocasnic, datele sunt actualizate, transmise sau afişate. MCU de joasă putere şi dispozitivul radio menţin de asemenea conformitatea cu normele guvernamentale, adăugând conectivitate fără o creştere măsu­rabilă a consumului energetic.

Microchip_EA0317_Fig-3

Figura 3: Diagrama bloc a unui modul Bluetooth® Inteligent.

Bluetooth
Observând simplitatea acestui sistem, haideţi să explorăm componentele în detaliu. Vom începe cu Bluetooth. Este foarte probabil că în ultimii ani aţi utilizat într-o formă sau alta Bluetooth-ul.
Este posibil să deţineţi căşti Bluetooth pentru telefonul mobil, iar multe maşini au Bluetooth pentru flux audio. Dar ceea ce ne interesează pentru aplicaţiile IoT este Bluetooth Smart (inteligent). Acesta este un nou standard, care este disponibil recent de la Bluetooth SIG. Acest nou standard permite operarea de joasă putere, ceea ce este ideal pentru aplicaţii IoT. Analizând tabelul 22, puteţi vedea că Bluetooth-ul clasic oferă raze de acţiune mai mari şi viteze de transfer de date de 2,1 Mbps, dar pentru aplicaţii cu viteze mici de transfer de date precum electrocasnicele IoT, viteza menţionată nu este necesară. Avantajul Bluetooth-ului inteligent este conectarea rapidă, potrivirea vitezei de transfer de date la necesităţile IoT şi consumul energetic redus.
Bluetooth-ul Inteligent a fost proiectat special pentru dispozitive la limita IoT. Să ne reamintim definiţia de pe Wikipedia a unui dispozitiv IoT: el trebuie să fie unic identificabil. Ei bine, Bluetooth-ul Inteligent are această capacitate. De exemplu, Figura 2 prezintă organizarea unei aplicaţii medi­cale cu Bluetooth Inteligent.
Ierarhia din Figura 2 prezintă profilul unui tensiometru. Acest profil are servicii ce îi sunt atribuite, precum serviciul Dispozitiv şi cel de Tensiune sangvină.
Se poate observa că profilul include UUID, informaţie de identificare unică (în acest exemplu, producătorul), ceea ce este o cerinţă pentru IoT.
Acesta este doar un exemplu, parte a Bluetooth Smart GATT (Generic Attribute Profiles). Profilurile sunt tipic suportate direct în dispozitivul Bluetooth, după cum se poate observa în Figura 3. Există profiluri pentru multe alte aplicaţii, inclusiv profiluri particularizate 4. Profilul particularizat este ideal pentru electrocasnice.

Microchip_EA0317_Fig-4

Figura 4: Perioada de comunicaţie a Bluetooth-ului Inteligent.

Bluetooth-ul Inteligent economiseşte energie
Suplimentar atributului de identificare unică, ceea ce face ca dispozitivul radio Bluetooth Inteligent să fie ideal pentru electrocasnicele IoT, este necesarul de energie. Dispozitivul are abilitatea de a sta în pereche cu un telefon mobil fără a necesita o conexiune constantă, iar conexiunea însemnând alimentare cu energie, acest lucru conduce automat la economie de energie. Dispozitivul radio Bluetooth este caracterizat de un “Interval de conectare” şi de “Întârziere dispozitiv sclav”, ceea ce face acest lucru posibil.
În figura 4, puteţi observa că Intervalul de conectare este perioada de timp în care dispozitivul sclav sau “perifericul” transmite telefonului inteligent sau “Centralei” înainte de intra în starea de joasă putere. Acest interval de timp variază de la câteva milisecunde la câteva secunde, cu regularitatea conexiunii determinată de “Întârziere dispo­zitiv sclav”. Aceşti parametri, când sunt combinaţi, permit ca datele să fie transmise la o perioadă minimă de 7.5 milisecunde, sau, la polul opus, de maxim 33 de minute pentru o economisire maximă a energiei.

Caracteristicile MCU de joasă putere
Desigur că cealaltă jumătate a ecuaţiei de putere o reprezintă microcontrolerul (MCU).
Consumul energetic este determinat în mare parte de starea modului de putere şi frecvenţa de ceas.

Modurile de putere
Multe dintre noile microcontrolere de joasă pu­tere includ la ora actuală moduri de putere. Aceasta este abilitatea de a schimba configuraţia unui MCU sub control software. Exemplele tipice sunt rulare (run), aşteptare (doze), inactiv (idle), adormire de joasă tensiune (sleep) şi adormire adâncă (deep sleep).
Fiecare dintre aceste moduri are atribute cheie care afectează consumul energetic. De exemplu MCU PIC® dispun de moduri de aşteptare şi adormire de joasă tensiune. În modul de aşteptare, MCU poate rula programe la o frecvenţă mai redusă decât peri­fericele sale de pe cip. Aceasta reduce consumul de curent, dar permite încă unor periferice cheie, precum un UART să comunice la o viteză de transfer potrivită. Modul adormire de joasă tensiune comută regulatorul de înaltă perfor­manţă de pe cip, pe un regulator de curent redus, permiţând reţinerea completă a stării curente a MCU, utilizând un curent de numai câteva sute de nano-Amperi. O tranziţie de la modul de rulare la cel de adormire de joasă tensiune reduce consumul de curent cu 99.9%.

Comutaţia ceasului
Microcontrolerele de joasă putere oferă de asemenea posibilitatea de comutaţie a ceasului în timpul funcţionării. Aceasta reprezintă capabilitatea de a schimba frecvenţa de ceas pe baza sarcinilor necesare. Dacă sunt rulaţi algoritmi de filtrare pe date senzoriale, ceea ce necesită operaţii matematice intense, MCU operează la frecvenţa maximă de ceas. Dacă se rulează o buclă simplă ce aşteaptă o întrerupere, frecvenţa de ceas este coborâtă pentru a economisi curent. Utilizând aceste metode, consumul de curent este redus de la 5 miliamperi la 26 de microamperi, ceea ce înseamnă o economie de 99%. Trăgând linie: MCU de joasă putere simplifică economia de energie.

Paşi către limite
Intrarea în lumea IoT poate fi atinsă de o gamă largă de proiecte de electrocasnice. Prin utilizarea funcţiilor integrate în MCU de joasă putere şi în dispozitivele radio Bluetooth, acum este posibilă crearea unei conexiuni la IoT de la un aparat electrocasnic, menţinând consumul energetic conform normelor. Această conexiune permite colectarea, procesarea şi transmiterea datelor către telefoanele mobile, într-un mod ce nu era posibil acum câţiva ani. Telefoanele mobile fiind o prezenţă curentă în viaţa modernă, ele oferă o poartă instantanee către aplicaţii ce creează valoare.

Clienţii apreciază conectivitatea, deoarece aceasta permite managementul vieţilor lor ocupate cu ajutorul unui singur dispozitiv, pe care întotdeauna îl au aproape, respectiv telefonul mobil.
Producătorii beneficiază de asemenea de conectivitate, câştigând posibilitatea de a urmări perfor­manţele şi utilizarea produselor, permiţând uti­li­zarea de tehnici de service şi marketing moderne pentru a reduce costurile şi a îmbunătăţi veniturile, dar şi putând să anticipeze dezvoltarea de noi generaţii de aparate electrocasnice.

IoT este aici și oferă noi oportunităţi, aşa că îndreptaţi-vă către această tehnologie.


Autor: Jason Tollefson, Sr. Product Marketing Manager, Microchip Technology


Surse
:
1 http://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_Things

2 https://developer.bluetooth.org/TechnologyOverview/Pages/BLE.aspx (2013)

3 http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70005191A%20(1).pdf (2014)

4 www.microchip.com//wwwAppNotes/AppNotes.aspx?appnote=en572728 (2014)

 

Microchip Technology |  www.microchip.com
Sigla-Microchip

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *