Mikor érdemes az okos-szenzorokat vezetékmentes lokális hálózatba kötni?

Az Endrich díjnyertes E-IoT ökoszisztémája egy lehetséges megoldást kínál az intelligens érzékelők adatainak felhőalapú adatbázisba való átvitelére az NB-IoT/LTE-M mobiltechnológiák segítségével (közvetlenül). Ez egy tökéletes megoldás a hagyományos eszközök „okosítására” viszonylag kis számú érzékelőt használó alkalmazásban. A NeoCortec alacsony fogyasztású vezeték nélküli ad hoc neo.mesh hálózati technológiájának integrálása az Endrich IoT ökoszisztémába megoldást kínál nagyszámú szenzor esetére, egy rendkívül jól skálázható, hosszú élettartamú, független, akkumulátoros intelligens szenzor-csomópontokból álló helyi hálózat formájában . A sok közvetlen internetkapcsolatot feltételező közvetlen szenzor-felhő-kommunikáció helyett elegendő egy biztonságos, szubgigahertzes helyi hálózat egyetlen átjáróval a világháló felé. Ez a megoldás sokkal alacsonyabb költséggel, nagyobb megbízhatósággal támogatja többek között az ipari berendezések prediktív karbantartását, környezeti paramétereinek megfigyelését és biztonsági felügyeletét, és növeli az érzékelőhálózat megbízhatóságát zord ipari környezetben.

Az E-IOT platform

Napjainkban az iparág egyik legnagyobb kihívása a hagyományos folyamatok digitalizálása, a gépek funkciókban gazdag, kis fogyasztású mikrokontroller-, vezetékmentes kommunikáció- és szenzor alapú elektronikával való bővítése az adatok felhőalapú adatbázisba való továbbításához. Így lehetőség nyílik a hagyományos eszközök csatlakoztatott (SMART) eszközökké való átalakítására, amelyek működési és környezeti paramétereiket felhőalapú adatbázisba (Cloud Database) küldik az üzembiztonság érdekében. Az intelligens funkciók támogatják a megelőző karbantartást, az energiafogyasztás optimalizálását és a távfelügyeletet. Az E-IOT ökoszisztéma segít belépni ebbe az iparágba azáltal, hogy hardver- és szoftver szolgáltatási megoldásokat kínál a hagyományos eszközök intelligens eszközökké alakításához. Az Ipar 4.0 elvárásainak való megfelelés érdekében a szenzorok adathalmazait központi adatbázisba kell szervezni a jövőbeni feldolgozáshoz, ökoszisztémánk ezzel a kihívással kiválóan megbirkózik. Csapatunk számos hardverelemet fejlesztett ki különféle érzékelők és celluláris kommunikációs (M2M/Narrow-Band IoT) technológia implementálásával, hogy a szenzorok adatait közvetlenül a felhőbe juttassuk. A feldolgozási lánc kezdete a különböző fizikai paramétereket észlelő és mérő szenzorokból áll, amelyek feldolgozása egészen a felhőalapú adatbázisban való eltárolásig és a folyamat végén a vizuális adatreprezentációig tart. Az E-IOT ökoszisztéma kezdetben az okosszenzorok jeleinek közvetlen felhőbe juttatását célozta.

De mi van akkor, ha a használt alacsony fogyasztású nagy kiterjedésű hálózat (LPWA) nem kínál megfelelő megoldást a közvetlen szenzor – felhő koncepción keresztül? Mit tegyünk, ha nagyszámú szenzor esetén nem gazdaságos egyenként internetkapcsolatot létesíteni és fenntartani? Mi a teendő, ha az alkalmazás által igényelt adatküldési gyakoriság miatt az akkumulátor üzemideje nem elegendő?

Az E-IOT platform alacsony fogyasztású ad-hoc helyi hálózattal kombinálva

Ebben az esetben egy alacsony fogyasztású ad-hoc helyi érzékelőhálózati megoldást hívunk segítségül, például a NeoCortec Neo.Mesh protokollt használhatjuk. Nagyszámú intelligens érzékelő csatlakoztatható ultraalacsony energiafogyasztással egy helyi hálózathoz, ahol egyetlen internetkapcsolattal rendelkező adatkoncentrátor/ átjáró gondoskodik az adatok Cloud DB-be való eljuttatásáról a mobilhálózaton keresztül, például az LTE-M-en vagy az NB-IoT protokollokat használva. Mérnöki csapatunk kifejlesztett egy moduláris szenzorhálózati infrastruktúrát, amely vagy közvetlen szenzor-felhő- (pont-pont) kommunikációt vagy helyi alacsony fogyasztású szenzorháló-hálózatot és (többpont-pont) kommunikációt kínál a felhő felé az LPLAN-LPWAN átjáró segítségével. A fent említett intelligens szenzorhálózatokból, a Cloud adatbázisból és a vizualizációs és adatfeldolgozó rendszerből álló teljes E-IoT ökoszisztéma segítségével cégünk jó megoldást tud kínálni arra, hogy a hagyományos eszközöket összekapcsolt, „SMART” eszközökké alakítsuk, támogatva például a megelőző karbantartást.

A Neo.Mesh, az általunk használt Wireless Mesh Networking Protocol paradigmaváltást jelent a hagyományos hálózati architektúrákhoz képest. Ellentétben a hagyományos megoldással, amely központi hálózatkezelővel szabályozza a csomópontok közötti kommunikációt, ez a protokoll autonóm intelligens csomópontokat alkalmaz. Az egyes csomópontok független entitásként működnek, megkönnyítve a csomópontok közötti közvetlen kommunikációt központi jogosultság nélkül. Az eredmény egy egységes hálózat, amely egyszerűen működik, függetlenül attól, hogy milyen nagyra vagy összetettre nő. Ahogy egyre több és több csomópont csatlakozik zökkenőmentesen a hálózathoz, azok ad-hoc módon kapcsolódnak a meglévő csomópontokhoz, és hatalmas kiterjedésű összekapcsolt kommunikációs hálót alkothatnak. Ez az alkalmazkodóképesség és skálázhatóság különösen értékes az E-IoT platform kiterjesztéseként, ha olyan területen alkalmazzák, amelyet több száz vagy több ezer érzékelőnek kell lefednie. A protokoll egyik leglenyűgözőbb tulajdonsága a szabadalmaztatott útválasztási mechanizmus. Ez a mechanizmus biztosítja, hogy az adatok zökkenőmentesen haladjanak át a hálózaton, még akkor is, ha az RF (rádiófrekvenciás) úton akadályok vannak vagy a hálózaton belüli a csomópontok mozgásban vannak. A hagyományos hálózatok gyakran teljesítményproblémákkal küzdenek, amikor a csomópontok blokkolva vannak, vagy dinamikusan változtatják pozíciójukat.

 A Neo.Mesh Networking Protocol azonban kiküszöböli az ilyen aggályokat, és mindenkor megbízható adatátvitelt garantál. Gyakorlatilag ez azt jelenti, hogy a hálózat teljesítményét nem befolyásolják a környezeti tényezők vagy a hálózaton belüli dinamikus változások. Függetlenül attól, hogy csomópontokat adnak hozzá, eltávolítanak vagy áthelyeznek, a hálózat robusztus és teljes mértékben működőképes marad, biztosítva a megszakítás nélküli kapcsolatot minden eszköz és felhasználó számára. Figyelemre méltó, ahogy a protokoll képes kezelni a valós hálózatok gyenge pontjait. Egy a megfelelő hálózati azonosítóval rendelkező további csomópont hozzáadásával az zökkenőmentesen integrálódik a meglévő hálózatba, támogatva annak lefedettségét és növelve a teljesítményét.A Neo.Mesh technológia középpontjában egy robusztus protokollkészlet áll, integrált biztonsági és megbízhatósági funkciókkal. Ennek a biztonsági csomagnak a kulcsfontosságú eleme a csomópontok közötti vezeték nélküli kommunikáció AES128 használatával történő titkosítása. Ennek a titkosításnak az alkalmazásával a hasznos adatok és a hálózati kommunikáció áthatolhatatlan és megbízhatatlan entitások számára megfigyelhetetlen marad.A rendszert a hosszú távú elemes működésre optimalizálták. Az energiafogyasztás rendkívül alacsony, így az akkumulátorok több évig is kitartanak. A Neo.Mesh hálózat időszinkronizált protokollt követ, amelyben minden csomópont ideje nagy részét alvó állapotban tölti. Ez az architektúrális megközelítés nagymértékben kiszámítható energiafogyasztási mintát biztosít a hálózat minden csomópontja számára. Ennek eredményeként az összes csomópont közel azonos mennyiségű energiát fogyaszt, ami lehetővé teszi, hogy minden hálózati csomópont hatékonyan fennmaradjon sok éven át.Az E-IoT a Neo-Mesh helyi szenzorhálózat-kiterjesztéssel szubgigahertz frekvencián működik, hogy kiküszöbölje a konkurens protokollok problémáit zord ipari környezetben. Ha összehasonlítjuk a GHz alatti hálózatot a WiFi-vel és a Bluetooth-al, ugyanazt az antennát és átviteli teljesítményt használva, nyilvánvalóvá válik, hogy a GHz alatti hálózatok nagyobb hatótávolságot kínálnak. A kiterjesztett hatótáv hátterében az áll, hogy az alacsonyabb rádiófrekvenciás hullámokat nem nyeli el olyan könnyen a fizikai anyag, mint a WiFi-ben és Bluetooth-ban használt 2,4 GHz-es jeleket.A Neo.Mesh protokoll ezen képességei ideális megoldást jelentenek a nagyméretű ipari komplexumokba, például gyárakhoz, épületekhez, ingatlanokhoz és üzletekhez telepített intelligens érzékelők számára.

Talajnedvesség tartalom mérés az E-IoT vezeték nélküli, ad-hoc helyi hálózati és NB-IoT technológia felhasználásával

Ez a skálázható, hosszú élettartamú, független, akkumulátoros intelligens szenzor-csomópontokból álló helyi hálózat kiválóan alkalmazható mezőgazdasági feladatokra is. A többszörös internetkapcsolatot feltételező közvetlen szenzor-felhő-kommunikáció helyett elegendő egy biztonságos, szubgigahertzes helyi hálózat egyetlen kicsatolással a világháló felé. Ez a megoldás sokkal alacsonyabb költséggel, nagyobb megbízhatósággal alkalmazható zord időjárási körülmények között mezőgazdasági vagy kertészeti alkalmazásokban is. Egy ilyen érdekes felhasználási lehetőségről szeretnénk jelen írásunkban beszélni.

A talajnedvesség-érzékelés a környezeti monitoring és a mezőgazdasági, valamint kertészeti jellegű IoT megoldások egyik kulcsfontosságú eleme. Magában foglalja a talaj legfelső rétegében lévő víz mennyiségének mérését, amely közvetlenül befolyásolja a növények növekedését, az öntözési stratégiákat és a víztakarékossági erőfeszítéseinket. Különféle módszereket alkalmaznak a talajnedvesség kimutatására, a hagyományos technikáktól, például a gravimetriás mérésektől a modern technológiákig, például a kapacitásérzékelésig, vagy a reflektometriáig (TDR). A pontos talajnedvesség-érzékelés segít az öntözési ütemterv optimalizálásában, a túl- vagy alul öntözés megelőzésében, a fenntartható gazdálkodás elősegítésében, és végső soron a mezőgazdasági termelékenység növelésében, miközben minimalizálja a vízpazarlást. A hagyományos érzékelők és vezérlőelektronikák modern vezetéknélküli kommunikációs egységekkel való kiegészítése, az IoT integrálása népszerű és érdekes feladat, melynek akkor van igazán értelme, ha szenzorok sokaságának adataiból szeretnénk számítástechnikai módszerekkel képet kapni a talajnedvesség viszonyokról nagy kiterjedésű ültetvényekben. A szerző idén nyári dél-amerikai szakmai útján több olyan cég képviselőjével is beszélt, ahol a nagy távolságokban lévő művelt területek telekommunikációs szolgáltatásokkal való lefedettségének hiánya lehetetlenné vagy gazdaságtalanná teszi például szenzor–felhő közvetlen kapcsolattal (GSM, SAT stb.) rendelkező okosszenzorok használatát. Ilyenkor lehet megoldás egy önállóan működő , megújuló energiaforrásokat használó, kisfogyasztású , nagy területet lefedni képes, ad-hoc vezetékmentes hálózatba szervezni a talajnedvességszenzorokat és a költséghatékonyság elősegítésére egyetlen kicsatolással ellátni ezt a hálózatot az Internet felé. Az alkalmazott (egy darab) átjáró lehet egy a terület szélén lévő, Internetkapcsolattal ellátott ingatlanban működő eszköz, SAT kapcsolattal rendelkező gateway, mely szervesen integrálódik az okosszenzor hálózatba.

E-IoT vezetéknélküli talajnedvesség jeladó

Kísérletezésképpen létrehoztunk egy kapacitív elven működő érzékelőt, mely a talaj legfelső rétegének nedvességével arányos jelet továbbít a neo.mesh hálózaton keresztül. Mint a korábbiakban tárgyaltuk, a kültéren akár egymástól száz méter távolságban elhelyezett szenzorok alkotta „háló”, a nagyszámú (többezer) csomópont alkalmazhatósága folytán relatív nagy területek lefedésére alkalmas anélkül, hogy az adatok elvesznének, hiszen minden szenzor egyben átjátszóként is működik és az adat megtalálja az utat a célja felé. Az egyes csomópontok elektronikájának energiaellátásáról napközben az integrált napelem gondoskodik, míg éjszaka a tölthető elemmel biztosított a folyamatos működés.

A mérési elv

A kapacitív talajnedvesség-érzékelés a talaj dielektromos állandójának nedvesség hatására történő változásának detektálásán alapul. A talaj nedvességtartalmának növekedésével a dielektromos állandó is növekszik, ami magasabb kapacitást eredményez. A nedves talaj elektrolitként működik, megnöveli az érzékelő földbeszúrt részén kialakított nyomvonal kapacitását. Egy nagyfrekvenciás négyszögjelgenerátor kimenetét egy ellenálláson keresztül erre a kapacitásra kötve egy alul-áteresztő szűrőként működő R-C tagot kapunk, aminek kimenetén egy egyszerű diódás csúcsérzékelő felerősített feszültségjele alkalmas a nedvesség érzékelésére a mikrokontroller ADC bemenetére kötve.

Az elvi blokkvázlat a következő:

Ez a technológia folyamatos monitorozási lehetőségeket kínál, így értékes a precíziós mezőgazdasági és kertészeti kutatások területén. Mindazonáltal olyan tényezők, mint a talaj összetétele és hőmérséklete befolyásolhatják a kapacitív talajnedvesség-érzékelők pontosságát, ami megfelelő kalibrálást tesz szükségessé a megbízható eredmények érdekében. Ennek érdekében a mi érzékelőnk csúcsán is megtalálható egy a talajhőmérsékletet mérő hőmérsékletszenzor, melynek jele természetesen szintén beküldésre kerül. Mivel ez az eszköz egyszerű talajnedvesség detektor, egyéb kémiai és fizikai szenzorokat nem helyeztünk el rajta, így a talaj összetételére és szerkezetére való jellemzőket nem képes mérni. Ez talán nem is olyan fontos, mert mi csak a változásokat szeretnénk jelezni és ebből képet alkotni az öntözés szükségességéről.

Az okosszenzor működése

A mérési elv ismertetése után szeretnénk bemutatni milyen egyszerűen használható a NeoCortec modul okosszenzorokban. Az integrált ARM M0+ mikrokontroller alapkiépítésben szükségtelenné teszi további mikrovezérlő alkalmazását a legkisebb energiafogyasztás biztosítása érdekében. A rendelkezésre álló firmware lehetővé teszi több analóg feszültségjel egyidejű mintavételezését (ADC), így egyszerre mérhető a talajhőmérséklet érzékelésére szolgáló NTC termisztor ellenállása, valamint a kapacitív nedvességdetektor kimenetén megjelenő feszültség is. Az adatok 20 másodperces ciklusokban egy rövid 21 byte-os üzenetben kerülnek átadásra a szomszédos modulnak, mely a mesh hálózaton keresztül a célállomás (Gateway) felé továbbítja azt. I2C buszon keresztül lehetőség van HTU21 hőmérséklet és páratartalom szenzor illesztésére is, ezzel például a környezeti hőmérsékletet és páratartalmat is beküldhetjük az adatbázisba a talajra jellemző adatok mellett.

Kiss Zoltán, Export Igazgató – Head of R&D

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH