אפשור רשתות WSAN עם פלטפורמה חכמה לחישת תנועה

מאת: Yan Vainter, Freescale

תקציר – התפישה של “פלטפורמה חכמה לחישת תנועה” היא שילוב של חיישן בעל יכולת של עיבוד נתונים, המאפשר התאמה אישית באמצעות תוכנה משובצת. המוצר MMA9550L מדגים את התפישה הזו על ידי התאמה של שילוב מד תאוצה תלת–צירי בטכנולוגיית מערכת MEMS, עם בקר מיקרו ל–32 סיביות ועם ארכיטקטורה ייעודית, בתוך מארז בגודל 3 מ”מ  3 מ”מ, לצורך ניהול חיישנים חיצוניים אחרים. תחכום זה, הקיים בצומת של החיישן, מאפשר איסוף נתונים מחיישנים אחרים והקטנה במידה משמעותית של העברת הנתונים בתקשורת בתוך רשת של חיישנים. מעבר לכך, הפלטפורמה החכמה לחישת תנועה מפחיתה את צריכת ההספק של המערכת ב–90 אחוזים בערך, ומנהלת את המיזוג של החיישנים. אי לכך, רשת של חיישנים ויישומי WSAN יכולים להפיק תועלת רבה מתפישה זו ולהגיע ליעילות מיטבית, לזמן אחזור (latency) נמוך, לצריכת הספק מזערית ולרמה הנכונה של עלות, כדי לאפשר פיזור נרחב של צומתי חיישנים והתאמה אישית של כל צומת חיישנים באמצעות תוכנה. יתר על כן, הודות ליכולות עיבוד מקומיות, כעת היישומים החדשים אפשריים.

הקדמה
היישום הראשון החשוב של חישני מערכת MEMS בהתקנים ניידים היה הוספתו של מד תאוצה (accelerometer) להחלטה אם התצוגה תהיה תצוגה לאורך (Portrait) או לרוחב (landscape). מוצר החיישן הוסיף רק ממשק ספרתי – I2C – אחרי ממשק המשתמש האנלוגי. הרזולוציה וצריכת ההספק היו אמות המידה העיקריות לבחירה ולתכנון.
ההוספה של החיישנים החדשים, כדוגמת מד שדה מגנטי, ליישומים של מצפנים, אומצה במהירות על ידי תעשיית הטלפונים הניידים, מפני שהיא משפרת את ממשק המשתמש בניווט ומשמשת את מערכות ההפעלה כדוגמת Android. שירותים על בסיס מיקום יידרשו לאסוף את הנתונים של כל החיישנים האלו ולהוסיף סוגי חיישנים אחרים, כגון מד גובה. מכאן, האתגר נעוץ לא רק במימוש של תכנון טכנולוגיות חיישנים חדשות, אלא גם בניהול של כל סוג של חיישן – כמו למשל בכיול מסוים, ניהול הספקים וקצב נתוני הדגימה – וכן גם באיסוף של נתוני החיישנים.
כדי להתגבר על בעיות אלו ולספק פתרון של פלטפורמה גמישה וניתנת להתאמה אישית, מוצעים כאן תפישה ומוצר מתקדמים: MMA9550L, הפלטפורמה החכמה לחישת תנועה. התפישה מציעה לשלב חיישן עם בקר מיקרו ייעודי, ועם ארכיטקטורה מותאמת ליצירה של רכזת חיישנים, יחד. מימוש ראשון זה גם יכול להיות פתרון מושלם לצווארי הבקבוק של רשתות אלחוטיות של חישנים ושחקנים (actor) (WSAN), הכל במסגרת עלות נמוכה וצריכת הספק נמוכה, שכמותם נדרשים על ידי שוק הטלפונים הניידים.

הפלטפורמה החכמה לחישת תנועה
א. המעבר מחיישנים פיקחים לחיישנים חכמים

התפתחויות בטכנולוגיית מערכות MEMS, חוק מור (Moore), והאימוץ הנרחב של מדי תאוצה בטלפונים ניידים אפשרו השגת חיישני תנועה חכמים יותר, באמצעות השילוב של טכנולוגיות עם החיסכון בעלות הנגזר מכמויות. אלו כוללים שיפור אותות, ממשק ספרתי ולוגיקת מיעון – כפי שמוגדר על ידי IEEE 1451.4 – והם כבר עתה מסופקים בשוק, ואפילו עם פונקציות נוספות לתקשורת משופרת – כמו למשל פסיקות ואוגר FIFO – ועם פונקציות המוגדרות מראש – כדוגמת גילוי תנועה מסוימת ואלגוריתמים משובצים עבור תרחישי שימוש מוגדרים מראש.
למעשה, מד התאוצה בטלפונים הניידים שימש מלכתחילה לגילוי תצוגה לאורך או תצוגה לרוחב, כדי להתאים את סיבוב תמונת המסך, ולאחר מכן, השימוש עבר במהירות לגיימינג ולשיפור ממשק המשתמש. מד התאוצה  MMA8451Q  נמצא על סיפו של חיישן פיקח (smart) כזה, עם אפשרויות של גילוי וסינון נתונים, שמירת נתונים בזיכרון זמני ותכונות ייחודיות של הכרת מחוות (gesture recognition), אך אין הוא מאפשר באופן מלא גמישות והתאמה אישית ברמת החיישן.
התפישה המתקדמת, המוצגת במאמר זה, מבוססת על הניסיון להמיר חיישנים פיקחים לרמה תעשייתית, תוך כדי הכללה של פונקציות משובצות נוספות. לכן, כתוצאה מהדרישה הגוברת מצד יישומים חדשים, כגון ניתוח מחוות משתמש מורכבות, וכתוצאה מההופעה של חיישנים חדשים, כמו למשל מדי שדה מגנטי למצפנים, גלוי אור וחישני לחץ, יש צורך ביכולות עיבוד והתאמה אישית.
ב. תיאור
המימוש הראשון של תפישת פלטפורמת החישה החכמה (intelligent) הוא באמצעות מד תאוצה תלת–צירי במערכת MEMS ועם בקר המיקרו ColdFire ל–32 סיביות, והוא מומש בשטח זהה ובצריכת הספק דומה לאלו שמומשו במד התאוצה לבדו.
מעבר לכך, הארכיטקטורה המסוימת פועלת כרכזת חיישנים: חיבורי I2C או SPI ראשיים (master) ומשניים (slave), חישה ובקרה באפנון PWM, חישת טמפרטורה ושתי אפשרויות פסיקה. זיכרון הבזק (flash), זיכרון RAM וזיכרון ROM על השבב משלימים את הגמישות המלאה עם יכולת העיבוד. כל התכונות האלו מותאמות למארז בגודל 3 מ”מ  3 מ”מ, שהוא למעשה הגודל של מד התאוצה לבדו. השטח הקטן ביותר הזה נחוץ עבור התקנים סלולריים וניידים. ההספק הנמוך, שהוא 30 מיקרו–אמפר בערך בקצב דגימת נתונים של 1.6 הרץ, עם אות שעון פנימי וקצב דגימה אוטומטי של הנתונים, הם כמה מבין הפרמטרים החשובים לרשתות חיישנים המופעלים בסוללות, במיוחד עבור ניטור של אירועים ברשתות אלחוטיות של חיישנים (WSN). יעילות התקשורת היא פרמטר קריטי נוסף, ולכן נוספו לממשקי I2C ו-SPI תקשורת אינטראקטיבית הכוללת פסיקות וזיכרון המאפשר שמירה זמנית של מידע במצב עיבוד.
בפלטפורמה החכמה לחישת תנועה מתקיימות גם התכונות הבאות:
טווחים דינמיים שניתנים לקונפיגורציה ב-8g, 4g, 2g,
ממיר ADC ל-14 סיביות עם אפשרות גישה
מתנד פנימי הפועל בהספק נמוך,
ממשקי I2C ו-SPI,
ליבת יע”מ (CPU) ל-32 סיביות עם בלוק צובר (accumulator) לכפל
זיכרון הבזק משובץ
זיכרון RAM וזיכרון ROM משובצים.
באיור 1 ניתן לראות את MMA9550L עם הבלוקים העיקריים שלו, ואת גודלו של המארז.
במימוש ראשון זה שובץ מד תאוצה תלת–צירי ובעל רעש נמוך, כדי לפתור בעיות של ריבוי חדירות של חיישנים אלו אל כל ההתקנים הסלולריים והניידים, וכן בגלל השימוש הנרחב שנוצר, כגון גילוי פעילויות המשתמש ומתן אפשרות למצבים אוטומטיים ויעילים של “מנוחה” (sleep) ו”עירות” (Wake–up).
ג. היתרונות בצריכת ההספק של מערכת
אחד היתרונות של MMA9550L המחובר למעבד יישום עיקרי (ראה איור 2) או למקמ”ש (transceiver) אלחוטי – כדוגמת ZigBeeTM – ולחיישנים אחרים, הוא ההפחתה המשמעותית בצריכת ההספק ברמת המערכת.
אפשר להשתמש במד התאוצה המשובץ בעל הדיוק הגבוה מאוד לגילוי פעילות כלשהי של המשתמש, תנועה של מכונה או רעידות במבנה, על מנת לעורר את רשת החיישנים או את המקמ”ש האלחוטי, כדי שאלו יתחילו בחישה ובתקשורת מקיפים יותר. לכן, אפשר לחסוך כמות רבה מאוד מצריכת ההספק של המערכת, מפני שבמקרה זה, רק MMA9550L יהיה פעיל (עם צריכת הספק של פחות מ– 50 מיקרו אמפר), והחלק הנותר של רשת החיישנים ומערכת התקשורת המשמשים ברשת חיישנים אלחוטית יימצא במצב המתנה או במצב סרק. לחלופין, אפשר גם להגדיר מצב מנוחה אוטומטי, אם אין גילוי של פעילות במשך זמן נתון. יישומים כדוגמת טלפונים ניידים, התקני אוטומציה ביתית ומערכות עקיבה ומיקום, יכולים להפיק תועלת מתכונות אלו, בהארכת חיי הסוללות שבהם.
דוגמה אחרת אפשר לראות במעבד היישום העיקרי שסורק באופן רציף חיישן אחד, כגון מד תאוצה, וצריכת ההספק האופיינית הנדרשת לקריאה של אפיק I2C היא ברמה של מצב פעולה רגילה (זרם אופייני של 12 מילי אמפר). על ידי ביצוע עיבוד ראשוני של נתוני התנועה ברמת החיישן, התוכנה המשובצת מאפשרת לבחור במידע הצפוי, כדוגמת מחווה מסוימת, ולכן MMA9550L יכול לעורר את מעבד היישום דרך בקרת פסיקה, ולשלוח את הנתונים המעובדים במצב של צרורות (burst). בהנחה שמעבד היישום צורך במצב מנוחה 4% מההספק שנצרך במצב פעולה רגיל, ובהתבסס על העובדה של–MMA9550L יש צריכת הספק נמוכה בהרבה (פחות מאשר 50 מיקרו אמפר) מצריכת ההספק של מעבד היישום במצב מנוחה, יוצא שצריכת ההספק הגבוהה ביותר נועדה רק לצורך עירור של מעבד היישום ולקריאה של הנתונים החזויים דרך אפיק I2C. ואכן, הספק נוסף זה נקבע על ידי זמן מצב העירות (wake up) של מעבד היישומים, ועל ידי הזמן הנדרש עבור קריאת אפיק I2C במצב של צרורות או במצב של ביית יחיד (שהיא בדרך כלל ב–122.5 מיקרו שנייה עבור נתונים ב– 8 סיביות ובמהירות של 400 קילו הרץ). מכאן, החיסכון בהספק ברמת המערכת יכול להיות גדול יותר מאשר 90%.

היתרונות עבור רשתות WSN ו–WSAN
א. היתרונות העיקריים

אפשר למצוא כמה יתרונות נוספים, נוסף על החיסכון בצריכת ההספק, שמתקיימים בפלטפורמת החישה החכמה, בהם, זרימת נתונים יעילה יותר בהרבה, גמישות בפעולות בקרה, כיול ועיבוד מוקדם של נתונים המגיעים מהחיישנים הפנימיים והחיצוניים.
בין הבעיות העיקריות העולות מתוך מימוש רשתות חיישנים במרחב התכנון – בנוסף על הבעיות האחרות המתעוררות בעת מימוש רשתות WSAN, שבהן נכללות דרישת זמן אמת, תיאום, יכולת שדרוג והשהיית זמן אחזור – ניתן למנות פרישה, ניידות, עלות, גודל, משאבים ואנרגיה. גישה זו שבה אנו עוסקים עונה על כל הבעיות האלו.
לשילוב של המעבד המשובץ עם מד התאוצה יש יתרון בצורת הוספת מידע, כדוגמת רעידות, מהירות, תאוצה, נטייה, הלמים, נפילה חופשית ותנועות אחרות, אשר מתקבל דרך עיבוד מקומי של התנועה. תרחישי שימוש – כדוגמת מצבי עירות או מנוחה אוטומטיים המתייחסים לפעילות ההתקן, או מצבי אבטחה כדוגמת התרעה שמופיעה כאשר קיימת רמה מסוימת של רעידות או הלמים – משתמשים ברשתות חיישנים כדי להקטין את צריכת ההספק, במקביל להרחבה של היקף המידע באשר לתנאי הסביבה.
הפלטפורמה החכמה לחישת תנועה מגדירה מחדש את ארכיטקטורת רשתות החיישנים (הן בחומרה והן בתוכנה), דרך מתן אפשרות לעיבוד נתונים ולהתאמה אישית בתוכנה בצומתי החיישנים. בנוסף, היא מהווה מימוש מתקדם המשלב חיישן, את רכזת החיישנים ואת השחקן (actor).
העברת חלקים של עיבוד הנתונים אל רמת צומת חיישני התנועה והוספה של האפשרות לבקר חיישנים חיצוניים אחרים ולפעול עליהם, מאפשרת גם:
הפחתת תקשורת הנתונים מאשכול החיישנים אל המעבד הראשי או למקמ”ש ת”ר  (RF);
איסוף נתונים מחיישנים שונים;
עיבוד מראש של נתונים המגיעים מהחיישנים, עם בחירה של נתונים שאותם יש לאחסן באוגר FIFO;
הקטנה של צריכת ההספק של המערכת הכוללת;
מתן אפשרות להתאמה אישית של כל צומת חיישנים באמצעות תוכנה;
כיול וניטור רציפים של החיישנים עם קצב דגימה ניתן להתאמה, תכונות של התעוררות אוטומטית וכניסה אוטומטית למצב מנוחה;
הפחתת העלות של רשתות החיישנים על ידי הקטנה של צריכת ההספק הכוללת, שילוב רכיבים יחד, הגדלה של מחזור התוכנה והקטנת משאבי התוכנה;
דוגמה ליישום מקיף של MMA9550L בסביבתו, לבקרה של חיישנים שונים, תוך כדי חיבורו לצומת ZigBeeTM מוצגת באיור 2. בתרחיש זה, נתונים של מד שדה מגנטי, חיישן לחץ ושל מקש מגע קיבולי מעובדים ונשמרים בזיכרון זמני, והמשמעות היא שצומת ZigBeeTM  מקבלת רק מידע שעבר עיבוד. לדוגמה גנרית זו יש יתרון של הפחתת צריכת ההספק של הצומת, בשל העברה של הנתונים המתבקשים בלבד. היא גם מעוררת את המערכת במרווחי זמן קבועים באמצעות אות שעון פנימי, שפועל בתדירות נמוכה בכל פעם שמתבצע גילוי של פעילות תנועה, באמצעות מד התאוצה שבמערכת MEMS ודרך גילוי של רמה ורצפים שמתוכנתים בתוכנה.
פלטפורמה זו יכולה גם לנהל את מיזוג המידע של החיישנים המקומיים המחוברים בזמן שההתאמה האישית של צומת החיישנים ניתנת למימוש באמצעות תוכנה.
לכן, אפשר לנהל ביעילות רשתות חיישנים, ברמת המערכת וברמת תת מערכת, על ידי כך שמאפשרים קיומם של צריכת הספק נמוכה, גמישות גבוהה באמצעות תוכנה, ויכולת התאמה על ידי ניהול סוגים חדשים של חיישנים. הצעה זו, למימוש ברשת חיישנים, מציגה את היתרונות החשובים של תפישה זו ברמת הצומת וברמת המערכת, למשל הקטנה למינימום של העברות הנתונים ושל פעילות הגומלין החכמה בין הצמתים השונים.
ב. השהיית זמן אחזור
התיאום בין החיישן לשחקן והתגובה בזמן אמת נחשבים לפרמטרים קריטיים של רשתות WSAN. התגובה המהירה ביותר שאפשר להשיג לאירוע מחיישן מתרחשת כאשר החיישן משולב עם המעבד, בדומה למקרה של מד התאוצה המשולב עם המעבד ל–32 סיביות בהתקן MMA9550L, מאחר שכאן לא קיימת השהיה של זמן האחזור, הנגרמת כתוצאה מפרוטוקול הממשק הספרתי, ואין כל השהיה כתוצאה מהמרחק שבין החיישן לבין המעבד. ההשהיה היחידה הקיימת נובעת מהעיבוד של נתוני החיישן, והיא נמצאת בטווח של כמה מיקרו–שניות. בעת הפעולה כרכזת חיישנים, ההתקן MMA9550L מפחית גם את השהיית זמן האחזור של הרשת באמצעות ממיר ADC, ממשק I2C, ממשק SPI ומאפנן PWM שנמצא בו. הוא יכול לאסוף נתונים של חיישנים חיצוניים, לעבד אותם, לצרף אותם יחד ולקבל החלטה, בעזרת התוכנה הממומשת בו. כל אלו מאפשרים לצומתי אשכולות להפוך ולהיות צמתים מגיבים ולספק את המידע המעובד לאשכולות הבאים.
מד התאוצה המשובץ מאפשר גם לכוונן באופן אוטומטי את קצב הדגימה של הנתונים, המגיעים מהחיישנים החיצוניים, באופן יחסי לרמת הפעילות, מאחר שמד התאוצה רגיש דיו כדי לגלות רעידות והלמים הקשורים לפעולה של מכונה או לפעילות של אדם. מנגנון כזה מאפשר להקטין עוד את ההשהיה בתגובה לאירוע בהשוואה להשהיה הקיימת במערכת רגילה שבה קיימים מד תאוצה ומעבד נפרדים.
ג. התקדם לצומתי רשתות חיישנים חכמות
רשתות חיישנים חכמות ברמה של מודול ממשק המתמרים החכם (STIM) הוגדרו על ידי תקן IEEE 1451.4 כשילוב של השרשרת הכוללת את החיישן עם שיפור האותות הבסיסי, הממשק הספרתי ולוגיקת המיעון. הפלטפורמה החכמה לחישת התנועה מגדירה מחדש את ארכיטקטורת התוכנה ואת ארכיטקטורת החומרה ברשת של חיישנים מאחר שניתן להוסיף לרמת מודול STIM את העיבוד המוקדם של הנתונים, מיזוג המידע ואת ניהול החיישנים.
התפישה של צומת חיישנים חכם יכולה להפוך ולהיות מרכיב חשוב בהתפתחות של רשתות חיישנים, מצמתים מגיבים לצמתים חכמים ועצמאיים, שפועלים בפעילות גומלין עם הרשת – רק כאשר נדרש.
השינוי של ארכיטקטורת החומרה מחיישנים פיקחים לחיישנים חכמים מתבצעת באופן חלק, מאחר שארכיטקטורות כאלו מפשטות את החיבורים הפנימיים של חיישנים מקומיים. ועם זאת, השינוי של ארכיטקטורת התוכנה מצריך ביזור של עיבוד הנתונים מהחיישן והפצה של נתוני המיזוג של חיישנים ברמת צומת החיישנים. התאמה של ארכיטקטורת התוכנה תאפשר גם הוספה של גמישות רבה מאוד, מאחר שאפשר יהיה להתאים באופן אישי כל צומת חיישנים ולתכנת אותה מחדש תוך כדי פעולה. מעבר לכך, השימוש בסינון Kalman ובמסנני Kalman זעירים ומבוזרים יאפשר קבלת יכולת שדרוג גבוהה ברשתות של חיישנים.
מסקנות
מאמר זה מציג את התפישה של פלטפורמה חכמה לחישת תנועה. המימוש הראשון של תפישה כזו מוצג אף הוא MMA9550L. המימוש מגדיר מחדש את הארכיטקטורה של רשתות חיישנים ושל רשתות WSAN, על ידי כך שהוא מאפשר ביצוע של עיבוד נתונים – מיזוג של שחקן וחיישן ברמת צומת החיישנים המקומי. פיתוחים נוספים הפכו מעתה לאפשריים, עם היכולת להשתמש באופן מלא בתפישה זו ברשתות WSAN, מאחר שאפשר לתכנת כל צומת וכל אשכול צמתים, ולהפוך אותם לסטנדרטיים. מעבר לחיסכון בעלויות, הקטנה של צריכת ההספק, חיסכון במשאבים וקיצור זמן היציאה לשוק, תפישה זו מאפשרת גם יצירה של סוג חדש של יישומים עבור שימושים ברשתות של חיישנים, בהתאמה למקום, הן בתעשייה והן בבית. מעתה אפשר לממש עיבוד מבוזר, הודות לפלטפורמה החכמה לחישת תנועה ליצירה של יישומים חדשים ברשתות חיישנים.