Zastosowanie urządzeń IoT w tworzeniu i zarządzaniu Inteligentnymi miastami

„Inteligentne miasta” bo tak nazwana została myśl stworzenia lepszego i bezpieczniejszego miasta dla obywateli dotyczy zagadnień między innymi: - monitorowania i sterowania oświetleniem miejskim - monitorowania i informowania o zanieczyszczeniu powietrza - monitorowania i informowania o stanie obiektów (antykradzieżowe, antywłamaniowe systemy) - monitorowania i informowania o dostępności miejsc np. postojowych Projektowanie systemu pod konkretne zastosowanie wymaga rozpatrzenia wielu aspektów oraz spełnienia dużej liczby kryteriów dotyczących pracy urządzeń, niezawodności oraz bezpieczeństwa dla obywateli. Określanie funkcjonalności oraz dobór technologii rozwiązań systemu stanowi podstawę dla aspektów ekonomicznych oraz użytkowych. Sposób oraz standard łączności urządzeń w systemie Głównym zagadnieniem dla rozległych obszarowo systemów jest sposób komunikacji pomiędzy urządzeniami, który musi być dobrany z uwzględnieniem innych aspektów takich jak zasięg, pobór energii, przepustowość łącza danych, struktura sieci, pojemność sieci oraz możliwość skalowania systemu. Dla zastosowań takich jak „inteligentne miasta” systemy tworzy się w oparciu o komunikację bezprzewodową, ze względów m.in. na brak konieczności prowadzenia łącza przewodowego pomiędzy urządzeniami sieci, możliwość łatwej przebudowy sieci oraz swobodnego ustawiania urządzeń. Wiele firm dostarcza gotowe rozwiązania modułów dla komunikacji IoT spełniających szereg z powyższych kryteriów, ponadto protokoły sieci rozwijają się dzięki czemu coraz łatwiej dobrać jest odpowiednie rozwiązanie. Rysunek nr 1. Architektura systemu sieci bezprzewodowej Architektura sieci Tworząc systemy „inteligentnych miast” firmy tak naprawdę muszą zintegrować ze sobą niekiedy kilka mniejszych podsystemów działających dla danego obszaru. W praktyce niemożliwe jest stworzenie systemu obejmującego zasięgiem całe miasto z komunikacją bezpośrednią punktów początkowych oraz końcowych, dlatego każdy system w ujęciu architektury należy rozbić na mniejsze podsystemy. Topologia sieci Każdy subsystem tworzony jest w oparciu o konkretną topologię sieci (rys. nr 2), która definiowana jest poprzez charakter pracy i komunikacji urządzeń wewnętrznych. Rysunek nr 2. Topologie sieci bezprzewodowych W zależności od systemu, wymagań aplikacyjnych oraz warunków środowiskowych projektanci muszą dobrać odpowiednią strukturę oraz technologię sieci bezprzewodowej, która przeniesie się w dalszych etapach prac rozwojowych na możliwości rozbudowy i niezawodność systemu. Wymagania projektu definiują zazwyczaj standard komunikacji sieci, niekiedy jednak projektanci tak łatwego zadania nie mają ze względu na złożoność topologii sieci, kilka urządzeń końcowych, różne tryby pracy oraz komunikacji z poszczególnymi urządzeniami. Powstaje wtedy pytanie jak sprostać wymaganiom i oczekiwaniom aplikacji oraz końcowym odbiorcom. Ogólnego przeznaczenia systemy, wymagające prostej komunikacji punkt – punkt lub gwiazda, niskiej przepustowości danych, małego poboru prądu oraz niewymagające standardu najczęściej opierane są o pasmo Sub-GHz. Pozwala to na stworzenie stabilnej i zamkniętej sieci wymieniającej wewnętrznie małe ilości danych idealnie pasujące dla zastosowań sensorycznych, informacyjnych lub prostego sterowania obiektami np. oświetlenie, bramy etc. Systemy wymagające dużego zasięgu, bardzo małego transferu danych, bardzo małego poboru prądu oraz mogące pracować w różnych topologiach będą celować w standardy takie jak LoRa lub Sigfox. W rzeczywistości żaden z nich nie jest jeszcze w pełni używany w kraju, jednak prowadzone są testy pierwszych zastosowań aplikacyjnych. Ze względu na możliwe zasięgi oraz zużycie energii standardy wykorzystywane będą w aplikacjach do zabezpieczeń obiektów ruchomych w połączeniu z układami wykrywającymi ruch obiektu np. akcelerometry. Systemy dużej przepustowości danych, dużego zasięgu, wymagające połączenia z urządzeniami mobilnymi oraz siecią internetową celowały będą w standard Wi-Fi. Nie mniej jednak ograniczenia stawiane przez pojemność sieci, ilość istniejących urządzeń oraz wymagania prądowe ograniczają zastosowania standardu tylko dla aplikacji wymagających wysokiej przepustowości. Aplikacje wymagające komunikacji z mobilnymi urządzeniami, posiadająca małą lub średnią przepustowość danych oraz niewielkim poborem prądu opierane są o standard Bluetooth Low Energy. Obecnie wersja 4.2 zawiera poprawione bezpieczeństwo sieci oraz zwiększony transfer danych, wersja 5.0 która w pierwszych odsłonach pojawiła się na rynku spowoduje nowe możliwości zastosowania standardu. Główne zmiany dotyczące poprawy zasięgu, przepustowości, zabezpieczeń oraz pracy w topologii mesh powodują coraz większe zainteresowanie odbiorców. Systemy wymagające funkcjonalności układów Sub-GHz o zwiększonym poziomie bezpieczeństwa, możliwości pracy w topologii mesh oraz możliwości podłączenia po przez urządzenia brzegowe do sieci internetowej mogą zostać oparte o protokół 6LoWPAN. Docelowo sieć została stworzona dla komunikacji systemów wbudowanych oraz M2M, obecnie rozwój IoT umożliwia znalezienie nowych zastosowań. Dynamicznie rozwijające się standardy ZigBee oraz Thread tworzą możliwości dla systemów smart home (ZigBee) oraz systemów wymagających sieci mesh o dużych pojemnościach, niskim zużyciu energii oraz małym transferze danych (Thread). Standard ZigBee bardzo dobrze przyjął się w sieciach sterowania inteligentnymi budynkami, z możliwością współpracy po przez sieć internetową. Natomiast Thread na tworzony jest na potrzeby powstawania nowych aplikacji sensorycznych z niewielkich obszarów np. biurowce. Dla bardziej wymagających systemów, dla których praca w jednym standardzie nie umożliwia wykonanie całości funkcjonalności, gdzie istnieje potrzeba komunikacji z różnymi urządzeniami końcowymi posiadającymi inne standardy sieci ciekawym rozwiązaniem są układy dwuzakresowe/multiprotokołowe. Przedstawione rozwiązania są przykładami dla danych standardów komunikacyjnych, zróżnicowanymi pod względem parametrów jak i możliwych zastosowań. Dla stworzenia optymalnej sieci nie należy opierać rozwiązań aplikacji bazując tylko na jednym standardzie, „inteligentne miasta” tworzone są od zbierania informacji z pojedynczych punktów lub całych obszarów. Zbieranie informacji z określonych obszarów może zostać zrealizowane za pomocą komunikacji opartej o pasmo 868MHz, natomiast przesyłanie informacji do odbiorców z wykorzystaniem standardu Bluetooth. Systemy „inteligentnych miast” wyposażone są nie tylko w komunikację, wymagają również urządzeń końcowych odpowiadających za zbieranie informacji z otoczenia. Wszelkiego rodzaju aplikacje IoT sterujące autonomicznie oświetleniem, żaluzjami, urządzeniami klimatyzacyjnymi lub monitorujące dane pojedynczych jednostek oparte są o urządzenia sensoryczne. Czujniki biomedyczne Rynek IoT stworzył możliwości rozpowszechnienia aplikacji funkcjonalnie kiedyś dostępnych tylko dla nielicznych, monitorujących parametry życiowe człowieka w dowolnej chwili. Aplikacje dedykowane są dla sportowców oraz osób aktywnych fizycznie, jednak stwarza to możliwości również dla osób wymagających monitorowania i gromadzenia odczytów dla celów medycznych. Sensory gazów VOC, TVOC Rosnące zanieczyszczenia atmosfery powodują potrzebę monitorowania stanu jakości powietrza w celu zwiększenia bezpieczeństwa i podniesienia komfortu życia. Kreowane systemy IoT powstają na potrzeby poprawienia bezpieczeństwa (aplikacje monitorujące zanieczyszczenie, monitorowanie parametrów funkcji człowieka) lub aby poprawić jakość i komfort życia (sterowanie klimatyzacją, oświetleniem, etc.). Zaprojektowanie oraz wykonanie urządzenia dedykowanemu zastosowaniu w IoT powinno bardzo często spełniać warunek zasilania bateryjnego oraz umożliwiać integrację po przez interfejsy takie jak SPI, UART, I2C etc. Przedstawione rozwiązania układów komunikacji radiowej posiadają możliwość integracji dodatkowych funkcjonalności oraz komunikacji z innymi urządzeniami, dodatkowo każdy SoC posiada różne tryby pracy umożliwiające optymalizację zużycia energii. Największym problemem urządzeń IoT jest problem zasilania, który w pewnym stopniu jest rozwiązywany po przez możliwości konfiguracji pracy urządzeń, dodatkowo istnieje wiele układów dedykowanych do pracy przy zasilaniu bateryjnym np. przetwornice, mikrokontrolery. Przetwornice oraz układy zarządzające zasilaniem uzyskują coraz lepsze parametry sprawnościowe oraz schodzą do coraz niższych napięć, ponadto popularne znów stały się mikrokontrolery 8bitowe, posiadające jednocyklowe instrukcje, zużywające mniej energii i wydajne tryby pracy. Artykuł uzyskany dzięki uprzejmości: © Kamil Prus | Inżynier Aplikacyjny kamil.prus@ccontrols.pl Computer Controls Sp. z o.o.