Kiss Zoltán - Export Manager - Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

E-IOT átjárók a lokális Neo.Mesh (LPWLAN) okosszenzorhálózat (LP)WAN hálózatokhoz való illesztésére 3. rész

2023 11 19.

Összefoglalás :

A magazin előző számaiban a multipont-pont IoT struktúrában működő lokális okosszenzor hálózatok Internet-átjáróinak témakörét érintettük és olyan E-IoT POC (proof of concept) megoldásokat vettünk szemügyre, melyek a NeoMesh integráción kívül képesek az Internethez is csatlakozni és a lokális hálózatból érkező okosszenzor adatokat az Endrich Cloud felhő alapú adatbázisába juttatni. A felsorolásban eddig csak az említés szintjén foglalkoztunk a legáltalánosabb célú, olcsó átjáróról, amely mind LPWA (NB-IOT/LTE-M/2G) , mind pedig CAT-1BIS GSM modemekkel készül, ezt a hiányosságot most pótoljuk, valamint szeretnénk kicsit részletesebben is megmutatni a rendelkezésre álló „mesh képes” vezetékmentes szenzorokat is.

---

Neo.Mesh / LPWAN vagy CAT-1Bis átjáró általános feladatokra

A korábban bemutatott célorientált megoldások mellett szükségét éreztük egy egyszerű, olcsó és a lehető legáltalánosabb funkcionalitással bíró Internet gateway elkészítésének is. Ez az átjáró társaitól abban különbözik, hogy vagy energiatakarékos módon néhány tíz-, vagy hálózati USB töltőről üzemeltetve akár egészen nagyszámú Neo.Cortec okosszenzor adatát képes továbbítani az Internet felé. Utóbbi esetben a korábbi LPWAN megoldások helyett itt LTE CAT-1 hálózati kapcsolatot létesítünk, amely 5 Mbps sebességgel képes az adatok felhőbe juttatására és az integrált WiFi Scan funkció segítségével beltéri helymeghatározást is lehetővé tesz.

Az 1. ábrán látható okosszenzor hálózat elvi felépítése a következő megfontolásokon alapul:

• Egyszerű, kis méretű, néhány byte-os szenzoradatok (hőmérséklet, páratartalom, fényerősség stb.) gyűjtése elemes táplálású, akár egyetlen töltéssel évekig is üzemelni képes vezetékmentes okosszenzorokkal, melyek mindenféle helyszíni beállítástól mentesen, ad-hoc módon bekapcsolás után azonnal a hálózat részeként üzemel.
• Az adatokat egyetlen egyszerű, hálózati USB táplálású eszköz gyűjtse össze, rendszerezze, alakítsa JSON telegrammá és a GSM hálózat felhasználásával azokat juttassa valamilye felhőszolgáltató adatbázisába.
• Az átjáró támogassa az IoT eszközök által gyakran használt UDP és az MQTT protokollokat
• Az átjáró kialakításánál vegyük figyelembe a következőket:
• Adjunk lehetőséget terepi üzemeltetésre, ahol előírás a kis fogyasztás (pl. napelemes akkumulátor egység biztosította USB tápellátás esetén is képes legyen folyamatos működésre)
• Ha az energiaellátás nem kritikus, akkor legyen lehetőség extra funkciók, mint például a beltéri lokalizáció, vagy a relatív nagyszámú szenzor kiszolgálásának képessége
• Kis méretű, és a fenti különböző kivitelek esetén is azonos kialakítású eszközre van szükség.
• Integrált 868MHz LPWLAN és LPWAN/LTE antennák

A fenti tervezési irányelvek mentén az Endrich különböző eszközöket alakított ki mind a szenzor csomópontok, mint az átjárók tekintetében, melyeket az alábbiakban ismertetünk.

Neo.Mesh hálózatba kapcsolható okosszenzorok

A Neo.Mesh hálózat adta lehetőségekkel számos korábbi cikkben foglalkoztunk, most szeretnénk bemutatni azokat a szenzor modulokat, melyeket adatgyűjtésre használunk a lokális hálózati oldalon. A különböző kivitelű és funkciójú modulokat hálózatonként egyedi számozással kell ellátnunk az üzenetek azonosíthatósága érdekében.

1. Látható fény intenzitásának mérésére alkalmas modul

Az ALS (Ambient Light Sensor) a fény látható hullámhossztartományba eső részének intenzitását méri. A fény intenzitásával arányos analóg feszültségkimenettel rendelkezik, melyet a NeoCortec modul részét képező ADC2 (A/D konverter) alakít digitális jellé. Az ADC1 lábon a modul a tápforrásul szolgáló tölthető elem aktuális kapocsfeszültségét méri. A modul egy HALL számlálót is tartalmaz, mellyel a mérési intervallumokban beérkező mágneses impulzusok (mágneses tér közelítése) számlálhatók. Ez utóbbi például egy alkalmas mágnessel kombinálva kiválóan használható ajtónyitás számlálására.

2. Hőmérő és páratartalom mérő modul

Az analóg szenzoros modulok mellett lehetőség van a TI HTU21D vagy a Sensirion SHT45 digitális hőmérséklet és páratartalom mérő szenzorait a modul I2C lábaihoz kapcsolni és a mennyiségeket digitálisan kinyerni a regiszterekből. Az NC1000 fedélzeti ARM CORTEX M0+ mikrovezérlőjén futó firmware gyárilag támogatja a fenti szenzorokkal való műveleteket.

3. Látható fény intenzitásának mérésére alkalmas modul RGB jelző LED-el kiegészítve

Mivel a Neo.Mesh hálózat bidirekcionális adatátvitelre is használható, nemcsak a szenzor-felhő irányú adatáramlás lehetséges, hanem az átjáró felől a modult címző utasítás is érkezhet. Ezen a speciális fénymérő modulon az alapfunkció mellett a fedélzeti RGB LED színe állítható be a felhő felől az átjárón keresztül érkező utasítással. Használható ez az eszköz jelzések fogadására, figyelmeztetésre, a hálózat állapotának kijelzésére vagy egyszerű demonstrációs feladatokra is.

4. Külső mikrovezérlővel szerelt multifunkciós modul

Az eddig ismertetett három szenzor modul tervezésekor az energiafogyasztás minimalizálására törekedtünk és megelégedtünk az NC1000 által biztosított keretekkel. Elképzelhető azonban, hogy a feladat más fizikai jellemzők monitorozását írja elő, esetleg az NC1000 analóg szenzorok kimeneti feszültségét digitális jellé alakító 12 bites felbontású AD átalakítója a szűk keresztmetszet. A feladat maradéktalan megoldását a beépített ARM CORTEX M0+ kis erőforráskészlete nem teszi lehetővé, hiszen azon a NeoMesh protokol is fut. Ekkor lehetőségünk van az előre kialakított helyre egy külső MCU-t beültetni, melynek külső (nagyobb felbontású ADC-vel ellátott) analóg bemenetein, illetve I2C portján keresztül külső szenzorok csatlakoztatása is megoldható. Ebben az esetben az NC1000 csak egyszerű rádiómodulként üzemel, melynek UART-jára a külső MCU küld parancsokat, magát az adatgyűjtést ez az eszköz végzi. Mivel a rendelkezésre álló flash memória és az egyéb erőforrás itt sokkal nagyobb, nem vagyunk szűk keretek közé szorítva. Természetesen ebben az esetben az energiafogyasztás jelentősen nagyobb lehet, amit majd a szükséges elem üzemidő biztosításához az adási gyakoriság és adáshossz, a mintavételezési idő, az MCU és a perifériák megfelelő hosszúságú alvó állapotának ideális beállítása garantál, amiről a felhasználónak kell gondoskodni.

Neo.Mesh – Internet átjáró

A lokális szenzorhálózatból az ebbe a vezetékmentes hálózatba integrált Internet átjáróra érkező adatokat az előző bekezdésben ismertetett modulok biztosítják. Az éterben áramló adatok AES titkosítással rendelkeznek, a NeoMesh kialakítása vezetékes kapcsolat biztonságát közelítő adatátvitelt nyújt. A jellemzően néhány byte-os adatcsomagok a korábbi cikkekben ismertetett módon modulról modulra lépve jutnak el a kiindulási helyről a célállomásra, mely az Internet átjárón elhelyezett NC1000 komponens. Ennek az eszköznek a soros portján jelenik meg a többi szenzor üzenete, ezeknek a feldolgozásáról a gateway saját mikrokontrollerén futó firmware gondoskodik.

A gatewaybe integrált NC1000 modul UART interfészén megjelenő, a többi modul által küldött adatok formátuma és maga az átjáró felépítése a 3. ábrán követhető nyomon. Az átjáró szoftvere folyamatosan figyeli a soros portot, melyre ha a mesh hálózat felől adat érkezik azt dekódolja és az ugyanazon csomópontokból érkező adatokat addig átlagolja, amíg azok a felhő felé beküldésre kerülnek. Az előre beállított küldési gyakoriság szerint a szenzor csomópontok átlagolt értékeit az átjáró JSON formátumú adat telegramként a beállított felhőszolgáltató felé UDP vagy MQTT protokoll szerinti adatkapcsolaton keresztül megküldi, majd a GSM csatornát felszabadítva újra csak a lokális mesh hálózat figyelését végzi. A működést a fedélzeti visszajelző LED segítségével lehet nyomon követni a 4. ábra szerint.

A GSM hálózaton beküldött adatok titkosítatlan (kibontott ) formátuma az egyszerű érthetőség kedvéért a következő JSON telegrammban tekinthető át :

Az üzenet egyedi azonosítója a GSM modem IMEI száma, az üzenet referencia mezőjében (msgref) információt kapunk mind az átjárón futó szoftver verziószámáról, mind az alkalmazott modul és SIM kártya adatairól. A PAYLOAD mező tartalmazza az egyes szenzorok mért értékeit az Endrich Visual Gateway szolgáltatása által értelmezhető (machine readable) formátumban. Az üzenethez csatolja a rendszer az átjáró GPS/GNSS koordinátáit is.

A teljes rendszert működés közben az őszi inárcsi TECHFerence és a téli párizsi SIDO kiállításokon és konferenciákon mutatjuk be ebben az évben utoljára a nagyközönségnek.

---

| Megosztás a Facebookon | Megosztás a LinkedIn-en |

---

Hivatkozások

A cikk megjelent az alábbi helyeken:

#	Média	Link
1	SEEIM 2023/3	USING LOW POWER, WIRELESS AD HOC LOCAL MESH NETWORK TECHNOLOGY WITH CELLULAR GATEWAY TO ENHANCE SMART SENSOR SOLUTIONS
2	Magyar Elektornika 2023/12	E-IOT átjárók a lokális Neo.Mesh (LPWLAN) okosszenzorhálózat (LP)WAN hálózatokhoz való illesztésére 3. rész
3	English version	Using low power, wireless ad hoc local mesh network technology with cellular gateway to enhance smart sensor solutions.