XENSIV connected sensor kit - czyli jak szybko opracować funkcjonalne IoT

Termin "Rzeczy" w IoT opisuje połączone w sieć fizyczne obiekty, takie jak czujniki, siłowniki oraz jednostki przetwarzające dane i zapewniające komunikację. Wiele takich aplikacji określa się dzisiaj terminem "inteligentne", co wiąże się z wartością dodaną wynikającą ze zbierania i zinterpretowania danych z czujników po to, aby podejmować w dalszej kolejności działania. Do realizacji takiej funkcjonalności wymagane jest połączenie z Internetem lub chmurą, aby wiele urządzeń mogło ze sobą współdziałać, wymieniać dane w sieci i być zdalnie sterowane z hosta.

 

Rys. 1. XENSIV connected sensor kit (CSK)

Czujniki, elementy wykonawcze, mikrokontrolery, moduły komunikacyjne i zasilanie razem umożliwiają aplikacji realizację pomiarów, przetwarzanie danych oraz komunikację z siecią, niemniej, aby stworzyć funkcjonalne urządzenie IoT, nie wystarczy posiadać takie elementy. Muszą one zostać zintegrowane w całość, zapewniając możliwość wydajnej obróbki dużej ilości danych przy zapewnieniu stabilnego i bezpiecznego połączenia z chmurą.

Aby sprostać takim fundamentalnym wyzwaniom i jeszcze bardziej przyspieszyć rozwój technologiczny IoT, firma Infineon opracowała platformę ewaluacyjną o nazwie XENSIV connected sensor kit (CSK), która ułatwia szybkie i łatwe testowanie koncepcji aplikacyjnych (rys. 1). Zawiera ona radar mikrofalowy oraz ma liczne czujniki pozwalające na fuzję danych. Częścią platformy jest środowisko programistyczne z obszernymi bibliotekami kodu i przykładowymi aplikacjami dla realizacji typowych zastosowań, m.in. inteligentnego budynku.

 

Rys. 2. Układy dostępne na płytce XENSIV connected sensor kit (CSK)

Czujniki zawarte na platformie CSK obejmują cztery typy zagadnień (rys. 2):

• odczyt danych środowiskowych, do czego służą elementy takie jak sensor ciśnienia barometrycznego DPS368, 60-gigahercowy radar BGT60TR13C oraz czujnik CO2 PAS. Uzupełniają je wymagane elementy peryferyjne, jak stabilizatory napięcia oraz oscylatory.
• przetwarzanie danych – czyli mikrokontroler, który dokonuje obliczeń, podejmuje decyzje i koordynuje komunikację. CSK jest wyposażony w PSoC 62 – wydajny 32-bitowy mikrokontroler Arm o małym poborze mocy zaprojektowany z myślą o IoT. Przykłady kodu aplikacji są dostępne w ramach środowiska ModusToolbox i obejmują trzy grupy: BSP (board- -support package) do obsługi płytki odpowiedzialny za konfigurację zegara, układów peryferyjnych przydzielania pinów, w drugiej grupie zawierają się sterowniki do czujników, a w trzeciej algorytmy do przetwarzania danych.
• komunikacja – aby można było połączyć się z chmurą, w CSK Infineon umieścił na płytce układ AIROC realizujący dwuzakresowe Wi-Fi (802.11n) 2,4 GHz i 5 GHz oraz Bluetooth 5.0. Po stronie oprogramowania został zaimplementowany popularny klient protokołu open source MQTT. Może on być używany na różnych platformach i zapewnia efektywne wykorzystanie dostępnego pasma. Dodatkową zaletą jest to, że użytkownik nie musi generować certyfikatów i kluczy do identyfikacji, gdyż dostaje to razem z płytką.
• bezpieczeństwo – ma ono fundamentalne znaczenie w IoT, stąd tutaj mamy bezpieczny chip OPTIGA Trust M firmy Infineon. Podczas jego konfigurowania można skorzystać z biblioteki implementującej interfejs API do interakcji z bezpiecznym chipem oraz z przykładowych aplikacji do realizacji uwierzytelniania, szyfrowanej komunikacji, z chronionego magazynu danych i bezpiecznych aktualizacji oprogramowania OTA.

Przykładowe zastosowania

Jedną z bardzo pożądanych funkcji inteligentnych urządzeń jest wykrywanie obecności osób w pomieszczeniach. Oświetlenie, ogrzewanie, klimatyzacja, wentylacja i systemy alarmowe oraz multimedialne mogą być aktywowane, gdy wykryją obecność osób, zwiększając komfort i oszczędzając energię. Radar mikrofalowy Infineona umożliwia wykrywanie obecności ludzi, zapewniając dużą czułość pozwalającą na detekcję mikroruchów (np. ruchu klatki piersiowej w czasie oddychania). Dzięki temu detekcja obecności jest precyzyjna i użytkownik nie musi już machać rękami przed czujnikiem, aby zapewnić reakcję, jak dzieje się to często w przypadku detektorów PIR. Razem z płytką Infineon dostarcza projekt referencyjny z algorytmem do realizacji takiej detekcji obecności.

Ponieważ czujnik radarowy może wykrywać subtelne ruchy klatki piersiowej człowieka w czasie oddychania i drgania ciała związane z biciem serca, rozwiązanie to nadaje się do aplikacji ciągłego monitorowania funkcji życiowych, bez konieczności bezpośredniego kontaktu za pomocą elektrod. Seniorzy mogą być w ten sposób stale i wygodnie monitorowani w domu, oddech niemowląt i starszych osób może być nadzorowany przez całą noc pod kątem bezdechu, co zapewnia wygodę i pozwala na wczesne wykrywanie problemów ze zdrowiem.

Zawarty na płytce czujnik CO₂ XENSIV PAS pozwala na ciągłe monitorowanie jakości powietrza w pomieszczeniach. Mało wydajna wentylacja może skutkować niższym poziomem tlenu i nadmierną koncentracją dwutlenku węgla i może mieć negatywny wpływ na zdrowie i produktywność. Już przy poziomie 1000 ppm ludzie zaczynają odczuwać senność i mają trudności z koncentracją. Czujnik CO₂ może ostrzec o pogorszeniu się jakości powietrza w pomieszczeniu po to, aby uruchomić wentylację lub otworzyć szerzej nawiewy. Dzięki temu inteligentne domy wyposażone w systemy monitorowania CO₂ w czasie rzeczywistym mogą korzystać z lepszej jakości powietrza i większego komfortu dzięki systemom wentylacji, oczyszczaczom powietrza i termostatom działającym z regulowaną wydajnością dostosowaną do aktualnych warunków.

Powiązanie aktywności człowieka w pomieszczeniach z działaniem oświetlenia, ogrzewania, klimatyzacji i podobnymi przynosi ogromny potencjał w zakresie oszczędności energii, ponieważ dzięki temu urządzenia są aktywne tylko wtedy, gdy użytkownik znajduje się w zasięgu. Około 50% zużycia energii w UE przypada na systemy ogrzewania i chłodzenia w budynkach i przemyśle, dlatego wzbogacenie systemu wentylacji w czujniki CO₂ pozwala oszczędzić do 55% zużycia energii. Część z takich koncepcji jest dostępna w ramach platformy CSK jako gotowe do wdrożenia aplikacje IoT. Kolejne pomysły można realizować, wykorzystując dostępne przykłady kodu.

ModusToolbox

Oprogramowanie ModusToolbox to nowoczesne środowisko programistyczne obsługujące mikrokontrolery firmy Infineon. Zestaw obejmuje narzędzia konfiguracyjne, sterowniki niskiego poziomu, biblioteki, z których większość jest kompatybilna ze środowiskami Linux, macOS i Windows (rys. 3).

 

Rys. 3. Pakiet oprogramowania ModusToolbox

Alessandra Fusco, System Application Engineer, Infineon Technologies

Infineon
www.infineon.com/connectedsensorkit