Elem nélkül, beltéri világítás energiájával működő okosszenzorok alkotta IoT hálózat

Ebben az évben folytatjuk az Endrich és az együttműködő partnerei által fejlesztett okos IoT eszközök, berendezések és a felhasznált korszerű technológiák bemutatását. A magazin jelen számában egy nagy jelentőségű újításról szeretnénk beszámolni, kifejlesztettük és a nürnbergi EmbeddedWorld 2025 kiállításon készülünk bemutatni azt az okosszenzor család koncepciót, mely nemcsak szupervékony kialakításával és kis geometriai méretével, hanem a felvonultatott korszerű technológiai megoldások sokaságával tűnik ki a versenytársak közül. Mivel az Endrich fejlesztőmérnökei nagyon hisznek az együttműködés erejében, most egy olyan eszközcsaládot álmodtunk meg, amely megvalósításhoz nemzetközi partnereink segítségével egy valódi összeurópai összefogással fémjelzett projekt adott alapot. Az újonnan kialakított E-zeroBatteryZone® vezetékmentes okosszenzorok szervesen integrálódnak az E-IoT ökoszisztémába, hiszen kiválóan együttműködnek telepes táplálású társaikkal és a szokásos E-IoT Internet átjárókkal is, mindössze ezt energiagyűjtés segítségével és elemek nélkül teszik a dolgukat. Az Endrich innovációját többek között a partnerségben az első terv megszületésétől jelen lévő dán NeoCortec cég alacsony fogyasztású rádiómodulja, a svéd Ligna Energy speciális, hajszálvékony kivitelű környezetbarát szuperkapacitása, a francia Dracula Technologies a fényenergiát alacsony beltéri megvilágítás mellett is hasznosítani képes speciális napelem cellái teszik ütőképessé és működését fenntarthatóvá.

Kis fogyasztású vezetékmentes IoT szenzor hálózatok – a NeoCortec WLAN megoldásával támogatva

Amennyiben egy koncentrált területen relatív nagyszámú okosszenzor elhelyezésére van szükség és ezek adatait az Internetes felhőszolgáltatás felé egy ponton szeretnénk kicsatolni, általában egy alacsony fogyasztású csomópontokból álló ad-hoc helyi érzékelőhálózati megoldást hívunk segítségül, például a NeoCortec Neo.Mesh vezetékmentes rádiós 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 celluláris hálózati protokollokat használva. Mérnökcsapatunk kifejlesztett egy – a magazin hasábjain mér részletesen bemutatott – moduláris szenzorhálózati infrastruktúrát, amely többpont-pont vezetékmentes kommunikációt kínál lokális mesh hálózat alkalmazásával, a felhő felé pedig egypontos Internet hozzáférést biztosít 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 Protokoll 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 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 Protokoll 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, távolítanak el vagy helyeznek át, 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.

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.

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.

A csomópontok a bekapcsolást követő néhány tíz másodpercben ugyan jelentősebb mértékben igénybe veszik a tápellátást, azonban ezután a hálózatba szinkronizálva az átlagfogyasztás néhány tíz uA nagyságrendű lesz.

Az ilyen megoldásokat alapvetően elemes táplálással hosszú távú, többéves működésre terveztük, és ez a fenntarthatóság és üzemeltetés szempontjából is kielégítő megoldást ad a legtöbb ipari feladatra. Azonban felmerül a kérdés, hogy vajon képesek lennénk-e olyan szenzor csomópont kialakítására, amely elemcsere és az ezzel járó üzemeltetési költségek elhagyásával és a rendelkezésre álló környezeti energia felhasználásával gyakorlatilag végtelen ideig képesek működni? Természetesen ehhez az érzékelők számának optimalizálására és minden egyéb fogyasztó elhagyására, azaz komoly energetikai átvizsgálásra és redukcióra van szükség. Emellett ipari környezetben elsősorban a beltéri világításból nyert energiára számíthatunk, ennek gyűjtéséről, átmeneti tárolásáról és szükség esetén az áramkörbe, elsősorban a kommunikációs modulba való gyors betöltéséről kell gondoskodnunk, mindezt a lehető legkisebb környezeti lábnyom hátrahagyásával.

Az E-IoT rendszerbe integrálódó E-zeroBatteryZone® vezetékmentes okosszenzorok esetén olyan napelemeket szerettünk volna használni, melyek alacsony megvilágítási szint mellett beltéren is képesek energiát termelni. Az energiagyűjtésről egy a kereskedelmi forgalomban hozzáférhető integrált áramkör gondoskodik és az innovációt jelentő speciális energiatárolást pedig olyan szuperkapacitásokra bíztuk, melyek geometriai mérete lehetővé teszi a szupervékony okosszenzor kialakítást és környezetbarát anyagokból készül. A rendszer blokkdiagramját a következő ábrán részletezzük.

A csomópont felépítése különböző kisfogyasztású analóg és digitális érzékelők esetén is nagyon hasonló, vagy a NeoCortec kommunikációs modulból, a belső ARM-Cortex M0+ mikrokontrollerének valamelyik ADC lábára vagy I2C csatornájához kapcsolódó szenzorból és az energiatermelő egységből áll. Ez utóbbi fő elemei a kis beltéri megvilágítás mellett is működő napelem, az energiagyűjtő IC és a speciális szuperkapacitás cellák.

A fényenergia hasznosítása az alkalmazott napelem esetében olyan hatásfokú, hogy már 200 lux esetén >20uA maximális töltőáram áll rendelkezésre. Mivel az alkalmazott szuperkapacitások 2V-os kapocsfeszültséggel rendelkeznek két ilyen eszközt kapcsoltunk sorba, ezek pedig a kommunikációs eszköz éledésekor nagyon gyorsan képesen az általuk tárolt energiát leadni.

A LIGNA szuperkapacitásokról

A szuperkondenzátor, más néven ultrakondenzátor vagy elektromos dupla réteg kondenzátor (EDLC), egy energiatároló eszköz, amely hidat képez a hagyományos kondenzátorok és az akkumulátorok között. Ellentétben az akkumulátorokkal, amelyek kémiai úton tárolják az energiát, a szuperkondenzátorok elektrosztatikusan tárolják azt. Ez lehetővé teszi a gyors töltést, így ideálisak olyan alkalmazásokhoz, amelyek gyors energiapótlást igényelnek. Azonban energiasűrűségük jellemzően alacsonyabb, mint az akkumulátoroké, így használatuk korlátozott hosszú távú energiatárolásra. A Ligna szuperkapacitásai a vezeték nélküli elektronikában való fenntartható energiatárolás iránti növekvő igény kielégítésére lettek kifejlesztve. Ugyanazokat az előnyöket kínálják, mint a hagyományos szuperkondenzátorok, de javított biztonsággal és csökkentett környezeti lábnyommal – kompakt formában. Az S-Power sorozatot úgy fejlesztették ki, hogy tökéletesen illeszkedjenek az energiagyűjtőkhöz, környezetbarát szuperkondenzátort biztosítsanak vezeték nélküli elektronikákhoz. Kiváló ciklikus és teljesítménykapacitásainak köszönhetően jól alkalmazható olyan alkalmazásokban, amelyek ismételt gyors kisütést és töltést igényelnek.

Jellemzők:

• EDLC/szuperkondenzátor
• Nem toxikus és környezetbarát
• Kompakt és vékony
• Alacsony szivárgási áram
• Görbült felületekre is rögzíthető

A Ligna szuperkapacitás -20 .. 60 ^oC működési hőmérséklettartományban a 20 ^oC fokon képviselt kapacitását viszonylag jól tartja, még negatív hőmérsékleteken is csak kb 10% a veszteség.

1.2F kapacitás és 2.7V kapocsfeszültség jellemzi az eszközt, mely lenyűgözően kis mechanikai méretei ( 0.6 gr tömeg, <0.5mm vastagság) mellett hajlékonyságával is kitűnik. Ideális energiatároló az E-zeroBatteryZone eszközeink számára.

A Dracula beltéri napelemek

A Dracula Technologies a háttérvilágítás fényét használja fel energia előállítására olyan speciális, rendkívül hatékony organikus anyagok segítségével, amelyek képesek mind a természetes, mind a mesterséges fény elnyelésére. Alacsony fényviszonyok között OPV eszközeik magas energiaátalakítási hatékonyságot érnek el, innen a találó cégnév is: Drakula gróf, mint kiváló vámpír csakúgy, mint a róla elnevezett napelem márka a hajnali rossz fényviszonyok mellett is teszi a dolgát.

A fenti NeoMesh alapú eszköz mellett az E-zeroBatteryZone® eszközcsalád a következő hetekben egy új taggal, a LoRaMesh alapú szenzormodullal bővül, mely a NeoMesh protokoll LoRa modulációra ültetett kommunikációs változatát valósítja meg. Mi az Endrichnél örömmel vállaltuk, hogy az E-IoT szenzorcsaládot egy ilyen széleskörűen használható és nagy kiterjedésű, lokális vezetékmentes hálózati megoldást nyújtó energiagyűjtős, elemmentes technológiával egészíthetjük ki. Erről az eszközről is hamarosan beszámolunk, addig pedig szeretettel várjuk a kedves olvasókat a nürnbergi EmbeddedWorld25 kiállításon a standunkon, ahol még lesz velünk néhány tiszteletpéldány az Endrich „E-ioT” koncepciójáról szóló, a tavalyi év végén megjelent könyvéből is.

Endrich