česky english Vítejte, dnes je středa 02. prosinec 2020

IoT riešenia pre bežný život

DPS 4/2020 | Vývoj - články
Autor: Ing. Pavol Cabúk, PhD., Ing. Marián Vernársky
01.jpg

IoT je jedným z najčastejšie skloňovaných tém v oblasti modernej elektroniky. Aj keď každý viac-menej vie, o čo ide, všeobecne prijímaná definícia doposiaľ neexistuje. Viacero autorít, či už osobností, alebo organizácií, sa pokúšalo nejakú definíciu vytvoriť no vždy narážame na problém jednostranného pohľadu. IoT je skrátka príliš široká oblasť. Toto ukazuje skutočnosť, že ak sa opýtate, čo je to ten IoT, dostanete od každého iný názor. Jedna skupina odpovie príkladom inteligentných chladničiek, pračiek či sofistikovaných monitorovacích systémov, napr. pre mosty. Iní začnú rozvíjať teórie o komunikačných rozhraniach a do krvi sa budú hádať, či IoT zariadenie musí byť WiFi, alebo môže byť aj „na kábli“, alebo presadzujú iný svoj, iste právom obľúbený štandard. Ďalší zas začnú debatu o softvérových riešeniach prenosu dát či rozhraniach s používateľom. Všetci majú pravdu, pretože riešia tú svoju oblasť. No pre reálne fungujúcu IoT aplikáciu je potrebné vyriešiť všetky, a hlavne je potrebné si uvedomiť, že IoT aplikácie sú tu vlastne dlhšie ako samotný názov. [1]

Ako IoT zariadenie môžeme zjednodušene nazvať čokoľvek, čo je pripojené prostredníctvom siete (primárne cez internet) k iným zariadeniam a pracuje samostatne bez potreby ľudského zásahu. Toto prepojenie je umožnené modernými, prevažne bezdrôtovými komunikačnými systémami a v kombinácii so stále sa rozširujúcimi cloudovými službami umožňuje jednoduchšie vytvárať inteligentné riešenia. Či už ide o dom, monitorovaciu stanicu, alebo priemyselné zariadenie, podstatné je prepojenie komunikačnou sieťou a možnosť vzdialeného prístupu. Či už pre jednoduchý zber dát, alebo na nastavovanie či dokonca riadenie. [2]

Konštruktér IoT zariadenia sa musí popasovať so širokým spektrom úloh v oblasti hw a sw riešení a iróniou je, že o konečnom úspechu nerozhoduje ani tak kvalita technického riešenia, ako používateľská atraktivita konečnej aplikácie a hlavne názov. Ak zákazníkovi ponúknete IoT riešenie typu „Vaša chladnička si sama objedná potraviny“, odídete s dlhým nosom, pretože odozvou bude otázka „Načo mi to bude? Chladnička vie, čo chcem jesť?“ Ak to však predložíme ako systém na monitorovanie a správu stavu zásob, oslovíme tým širokú skupinu potravinárskych prevádzok, ktorým tým ponúkneme upgrade sladového systému. [3]

Príkladom uceleného IoT riešenia pre bežného človeka môže byť systém pre riadenie vykurovania rodinného domu, spracovaný v rámci riešenia diplomovej práce. Myšlienkou bolo čo najjednoduchšie realizovať možnosť vzdialeného monitorovania a ovládania teploty v rodinnom dome. Konštruktér musel riešiť viacero oblastí, počnúc konektivitou a spôsobom napájania, pokračujúc koncepciou riadiaceho systému až po používateľské rozhranie.

Asi najťažšie sa rodila celková koncepcia systému. Bolo potrebné zvážiť množstvo faktorov, ktoré majú vplyv na zložitosť a následne praktickú využiteľnosť systému a v neposlednom rade zabezpečiť funkčnosť riešenia v prípade výpadku spojenia. V priebehu riešenia bolo ako optimálne zvolené riešenie na obr. 1, keď riadiaci systém a používateľské rozhranie sú realizované prostredníctvom cloudovej služby a jednotlivé komponenty systému, ktorými sú teplomer (obr. 2) a elektronický ventil (obr. 3) sa k „centrále“ pripájajú prostredníctvom domácej WiFi siete. Toto riešenie síce vyžaduje neustále pripojenie na internet, zároveň však poskytuje najnižšie realizačné nálady a prakticky neobmedzuje počet obsluhovaných miestností. V prípade výpadku spojenia prejde systém do „núdzového“ stavu, keď elektronický ventil udržuje poslednú nastavenú teplotu. Netypickým je využitie druhého snímača teploty, ktorý je umiestnený mimo dosahu tepelného zdroja. Toto však umožňuje regulovať skutočnú teplotu v miestnosti a meranie nie je ovplyvňované teplom od radiátora. Pre základnú funkčnosť postačuje meranie teploty integrované na riadiacej jednotke elektronického ventilu.

vyvoj-1
Obr. 1 Bloková schéma systému pre riadenie jednej miestnosti [4]

 

vyvoj-2
Obr. 2 Modul monitorujúci teplotu miestnosti [4]

vyvoj-3
Obr. 3 Skonštruovaný elektronický ventil IoT
s pripojením na WiFi [4]

 

Ako riadiaci člen bol využitý modul ESP8266 (obr. 4), ktorý združuje pomerne výkonný mikrokontrolér a WiFi obvody. Jeho cena je priaznivá a možnosť programovania v prostredí pre Arduino umožňuje jednoduchú tvorbu nenáročných aplikácií. Oba komponenty systému sú napájané z bežného LiIon akumulátora 18650, pričom elektronický ventil využíva dva články, kvôli potrebe vyššieho napätia pre elektromotor. V praktickej prevádzke je výdrž na jedno nabitie cca mesiac. Každá jednotka má pri výrobe priradený jedinečný názov a jej konfigurácia je riešená prostredníctvom webstránky generovanej modulom ESP8266 v prípade, keď sa jednotka nedokáže pripojiť k nadefinovanej WiFi sieti alebo žiadnu sieť nemá definovanú (obr. 5). Párovanie jednotiek s riadiacim systémom prebieha v admin rozhraní riadiacej jednotky, kde je príslušná jednotka spárovaná s vybranou miestnosťou a tejto je nastavený používateľom zvolený názov. Toto riešenie umožňuje jednoduchú konfiguráciu, napr. cez smartfón, bez potreby špeciálneho párovania zariadení s ústredňou. Výhoda použitia štandardného rozhrania sa prejaví pri prípadnej poruche, keď servisným úkonom je výmena bežného a tým pádom lacného a hlavne dostupného komponentu.

vyvoj-4
Obr. 4 Modul ESP8266 a jeho bloková schéma [4]


vyvoj-5
Obr. 5 Rozhranie pre konfiguráciu WiFi jednotky [4]

Srdcom celého systému je virtuálna riadiaca jednotka prevádzkovaná v cloudovej službe. Webové rozhranie umožňuje online monitorovanie teploty v miestnostiach a jej reguláciu na základe nastavených požiadaviek (obr. 6). Teplota môže byť regulovaná nezávisle pre každú miestnosť s týždenným programom s minútovým krokom. Zbierané dáta o teplote sú uchovávané a zobrazované v podobe denného, týždenného alebo mesačného priebehu. Využitie cloudového riešenia zbavuje používateľa starostí s nákupom a prípadným servisom riadiacej jednotky. Centrálnu jednotku je možné spravovať cez webové rozhranie, čím je pre správcu prakticky dostupná odkiaľkoľvek. Toto riešenie je obzvlášť výhodné pri nasadení systému u ľudí, ktorí sa s technikou takpovediac nekamarátia a nastavenie a správu môžu zveriť „priateľovi na telefóne“. Odvrátenou stránkou je nižší stupeň bezpečnosti, no hardvérovo nastavené hranice na elektronických ventiloch zamedzujú nebezpečným situáciám. Prípadný útočník by síce mohol spôsobiť tepelný diskomfort, ale nemá možnosť spôsobiť deštrukciu akejkoľvek časti systému, s výnimkou riadiacej ústredne, ktorá je však pomerne jednoducho obnoviteľná zo zálohy. Ďalšou výhodou je otvorenosť systému, ktorá umožňuje v priebehu času pridávať ďalšie miestnosti, hoci aj z inej budovy v úplne inom meste alebo po programových úpravách pridávať ďalšie funkcionality. Do realizovaného systému boli napríklad pridané funkcionality monitorovania teploty v bojleri a vonkajšej teploty, ktoré zlepšujú kvalitu regulácie.

vyvoj-6
Obr. 6 Webové rozhranie riadiaceho systému s prehľadom údajov o jednotlivých v miestnostiach [4]

Opísané riešenie predstavuje ukážku praktickej využiteľnosti IoT pre bežného človeka. Bez potreby nákladných implementácií Hi-Tech zariadenia je možné značne zvýšiť kvalitu vykurovacieho systému. Cloudové riešenie umožňuje modulárnu koncepciu bez potreby dimenzovania hw riadiacej jednotky, keďže táto je realizovaná ako program v cloude a je teda možné konštatovať, že výkonu bude dosť. Či už ide o monitorovanie a riadenie teploty na chalupe, alebo u starých rodičov, alebo o jednoduchú zmenu teploty pri zmene programu dňa, predstavuje toto riešenie príslovečnú dobrú muziku za dobré peniaze. Na záver je vhodné pripomenúť, že najdôležitejším prvkom pri praktickom využívaní je používateľské rozhranie a týmto smerom by sa pri konštruovaní IoT zariadení mala upierať pozornosť konštruktéra. Koncipovať zariadenie pre bežný život bežného človeka a nekonštruovať hračky pre technických nadšencov. Pretože bez ohľadu na to, aké skvelé dané zariadenie bude, ak mu používateľ nebude rozumieť, nebude ho chcieť a to by bola škoda.

Odkazy:

[1] Vít Olmr: IoT – Budoucnost nebo nafouknutá bublina?, www.hw.cz

[2] Antonín Vojáček: Základní úvod do oblasti internetu věcí (IoT), www.hw.cz

[3] Robert Peška: Pohledem praktika: IoT zařízení neprodáte, když..., www.hw.cz

[4] Marián Vernársky: Distribuovaný systém riadenia teploty na báze IoT, Diplomová práca, TUKE 2020

Partneři

eipc
epci
imaps
papouch
ep
mikrozone
mcu
projectik