Bezprzewodowa technologia Bluetooth 5 dla inteligentnych czujników Internetu Rzeczy (IoT)

Inteligentne czujniki z interfejsem Bluetooth coraz częściej korzystają z chmury na potrzeby realizacji idei coraz bardziej połączonego świata. Przemysłowy Internet Rzeczy (IIoT) opiera się na czujnikach gromadzących dane z systemów - celem monitorowania ciśnienia, ruchu, wilgotności i innych funkcji - które mogą być przekazywane do chmury w celu przetworzenia. Istnieje kilka sposobów komunikacji, ale Bluetooth Low Energy (BLE) jest jednym z najprostszych.

Technologia BLE może być stosowana w różnorodnych aplikacjach, w tym:

• Wykrywanie bliskości dwóch sparowanych urządzeń i informowanie o wyjściu poza zasięg.
• Weryfikacja dostępu do urządzeń.
• Zastosowania okołomedyczne, w których można monitorować szeroki zakres parametrów organizmu.
• Automatyka inteligentnego domu, w którym wszystkie urządzenia, drzwi i okna są podłączone do smartfona lub centralnego sterownika.
• Energooszczędne urządzenia fitness i inteligentne opaski.

Duży entuzjazm wzbudza wizja inteligentnego miasta/kampusu, w którym czujniki przytwierdzone do takich obiektów, jak śmietniki, automaty do sprzedaży i miejsca w stołówce, dostarczają ciągłych raportów o swoim stanie. Przykładem takiego zastosowania jest raport o stopniu zapełnienia kosza na śmieci lub o tym, czy dane miejsce jest zajęte. Postępy w miniaturyzacji pozwalają na wdrożenie ich w niemal każdym środowisku, w różnych formach i na różnych obiektach.

Inteligentna społeczność

'Inteligentne domy' i 'inteligentne budynki' to jedne z najważniejszych zastosowań Internetu Rzeczy (IoT), w których wbudowane czujniki i urządzenia uruchamiające mogą być konfigurowane i zdalnie sterowane poprzez internet za pomocą różnych programów monitorujących i sterujących. Stworzenie 'inteligentnego budynku' jest możliwe dzięki zastosowaniu inteligentnych czujników, które mogą komunikować się między sobą, a także z centralnym monitorem lub smartfonem. Dzięki systemowi inteligentnego budynku można kontrolować takie parametry jak temperatura oraz stan drzwi i okien, a każde urządzenie można włączyć lub wyłączyć z dowolnego miejsca.

System inteligentny opiera się na następujących typach komponentów:

• Sieć czujników stale monitoruje wszystkie pomieszczenia w budynku pod kątem takich parametrów jak natężenie światła, temperatura i jakość powietrza. Niektóre czujniki monitorują zewnętrzną część budynku na wypadek włamań.
• Usługi obejmują wszystkie różnorodne urządzenia, które mają wpływ na wnętrze lub otoczenie budynku, w tym podstawowe funkcje, takie jak oświetlenie, ogrzewanie i podgrzewanie wody, a także udogodnienia zapewniające komfort, takie jak system audio w całym budynku.
• Centrum przetwarzania to procesor w środku sieci, który uruchamia algorytm wykorzystujący dane z wielu źródeł w celu określenia najlepszego sposobu korzystania z usługi. Usługi te przesyłają dane o użytkowaniu do centrum przetwarzania, które wykorzystuje je do identyfikacji wszelkich początkowych problemów związanych z konserwacją. Centrum przetwarzania ma również dostęp do zewnętrznych źródeł danych, takich jak prognozy pogody, w celu określenia, czy o wschodzie słońca należy podgrzewać wodę energią z sieci czy energią słoneczną z dachu.
• Połączenia łączą czujniki, usługi i interfejsy z centrum przetwarzania, które zabezpiecza komunikację między nimi. Właśnie wtedy potrzebny jest Bluetooth.

Bluetooth 5 dla inteligentnej społeczności

W celu wdrożenia inteligentnego Internetu Rzeczy (IoT) w dzielnicy mieszkalnej lub kompleksie apartamentów, konwencjonalne metody automatyzacji wykorzystują dużą liczbę repeaterów i urządzeń łączących z centralnym urządzeniem sterującym lub internetem.

Niemniej jednak istnieją ograniczenia w odniesieniu do bezpośredniej łączności z internetem urządzeń Bluetooth oraz ograniczenia jej zasięgu. Ograniczenia te można przezwyciężyć, stosując sieć BLE typu mesh, jak pokazano na Rysunku 1. Proponowana nowa technologia wymaga tylko jednej centralnej bramki do internetu dla całego kompleksu mieszkalnego lub centrum handlowego. Pozwala to obniżyć koszty wdrożenia, ponieważ wszystkie domy lub mieszkania można łatwo monitorować za pomocą jednego centralnego urządzenia monitorującego. Zwiększenie liczby inteligentnych urządzeń w każdym domu może znacznie wzbogacić zakres zastosowań automatyki inteligentnych budynków — od bezpieczeństwa po ochronę zdrowia.

Rysunek 1: Bluetooth 5 dla inteligentnej społeczności

Najważniejszą obecnie cechą technologii Bluetooth jest topologia Bluetooth mesh, która umożliwia komunikację między wieloma urządzeniami i jest zoptymalizowana pod kątem tworzenia dużych sieci urządzeń. Sieć typu mesh działa w standardzie BLE i jest zgodna z wersją 4.0 lub wyższą głównej specyfikacji. Oferuje ona rzeczywiste rozwiązania klasy przemysłowej, które spełniają surowe wymagania w zakresie niezawodności, skalowalności i bezpieczeństwa. W przeciwieństwie do połączeń punkt–punkt, sieć typu mesh składa się z urządzeń, które mogą komunikować się z innymi urządzeniami w sieci poprzez wymianę komunikatów. W protokole Bluetooth mesh każdy czujnik i usługa działa jak węzeł, przekazując komunikaty między centrum przetwarzania a innymi czujnikami i usługami.

Mogą to być czujniki temperatury, natężenia światła, wilgotności. Węzły mogą być także wykorzystywane do śledzenia stanu drzwi w budynku, sterowania wentylatorami /klimatyzatorami, lampami oraz powiadomieniami o zagrożeniach. Systemem można sterować lokalnie z poziomu smartfona pełniącego rolę węzła proxy lub przez internet za pośrednictwem bramki proxy.

Komunikaty są przekazywane z jednego węzła do drugiego (przekaźnik), dzięki czemu możliwa jest wymiana komunikatów między węzłami, które nie znajdują się w bezpośrednio obok siebie. Ponadto komunikaty są przekazywane do różnych urządzeń. Zasadniczą zaletą sieci typu mesh jest większa odporność na awarie węzłów w części sieci. Inteligentny czujnik powinien być podłączony do węzłów BLE, takich jak moduł nrf52840, BlueNRG, CYBT-213043-MESH i innych tego typu.

Do podstawowych zalet architektury mesh należy znaczne zmniejszenie zużycia energii i kosztów eksploatacji. Uzyskano to dzięki zmniejszeniu liczby używanych repeaterów, a także możliwości bezpośredniego połączenia z internetem i innymi urządzeniami na większą skalę w porównaniu z innymi podobnymi architekturami. We wszystkich inteligentnych systemach automatyki repeatery zwiększają całkowite zużycie energii i wymagają więcej czynności konserwacyjnych. Portale internetowe obsługujące Bluetooth 5 są niezbędne do pełnego wykorzystania potencjalnych funkcji postulowanej architektury.

ŹRÓDŁO: Artykuł został oryginalnie opublikowany na stronie internetowej Farnell. Aby uzyskać dodatkowe informacje na temat inteligentnych czujników i kluczowych trendów w rozwoju czujników, przeczytaj naszą dokumentację: "Inteligentne czujniki – wykorzystanie inteligentnego Internetu Rzeczy (IoT) w praktyce".