עכשיו כשהאינטרנט של הדברים (IoT) הפך למציאות, מכשירי חשמל ביתיים מהווים הזדמנות פז כדי להציע לצרכנים שליטה על ההוצאות ועל הזמן שלהם, וליצרנים הכנסות נוספות ומודלים של שירות. מתכנני מכשירי הבית החשמליים יכולים להתאים למוצרים שלהם חיישנים כדי לעקוב אחר דפוסי השימוש וצריכת האנרגיה, להתקין עליהם ממשקי משתמש מעוצבים שיציגו את נתוני השימוש ויעניקו שירותים מתוזמנים והזדמנויות קנייה בלעדיות.
איור 1. הגדרת Io
עם הפריסה הצפויה של ה-IoT של כסדר גודל אחד יותר גדול משוק הסמרטפונים, יהיו עשרות מיליארדים של “דברים” שיהיה צורך להזין בחשמל. מתכנני ומעצבי מכשירי החשמל לבית ירצו להפחית, או לפחות לשמר, את רמות צריכת החשמל הנוכחיות של המכשירים – כדי לעמוד בתקנות ממשלתיות, ובו בזמן להוסיף פונקציות IoT. על מנת לענות על צורך זה, יש צורך במיקרו-בקרים (MCU) בעלי צריכת מתח נמוכה ביותר ובמשדרי ®Bluetooth חכמים. רכיבים אלה מציעים דרך גמישה וחסכונית לקשר בין הדברים שבקצה ה-IoT. בואו נסקור את ההיבטים הללו של מערכת IoT בעלת צריכה נמוכה.
הגדרת ה-IoT
קיימים מספר פירושים ל-IoT, שתלויים לעתים קרובות בנתח השוק בו מתמקדים, אך קיימת הגדרה אחת בוויקיפדיה 1, שמובאת באיור 1, שמסכמת די טוב את המושג.
אז אם נקשר את ההגדרה הזו למכשירי החשמל, למכשיר חשמל ביתי IoT תהיה זהות מיוחדת, הוא יציע חיבוריות מתקדמת כמו בלוטות’ סמארט או Wi-Fi, ויתחבר לתשתיות האינטרנט הקיימות.
שירותים מופעלי IoT
טבלה 1 – 5 דוגמאות חשובות של השירותים שמציעים המכשירים החדשים
חיבור מכשירי חשמל לסדרני האינטרנט בפרדיגמה חדשה גם עבור הצרכנים וגם עבור היצרנים. עבור הצרכנים, האפשרויות החדשות מציעות ערך מיוחד ביכולת לשלוט בהוצאות ולנהל את הזמן באופן יעיל. עבור היצרנים, האפשרויות החדשות בעלות ערך כי הן מאפשרות לנטר את הביצועים של המכשיר החשמלי, לפתור בעיות תחזוקה, ולהציע פתרונות המייצרות רווח.
הפעלת הסמרטפון כשער כניסה ל-IoT
הסמרטפון, עם MCU בצריכה נמוכה ומשדר בלוטות’ סמארט, מציע לייצרני המכשירים החשמליים את הדרך הפשוטה ביותר להוסיף יכולות IoT למוצרים שלהם. סמרטפונים כיום מגיעים כבר עם בלוטות’ סמארט מותקן, שמאפשר כניסה מידית לאינטרנט, עם היתרון הנוסף של צימוד פשוט למכשיר. יישום סמרטפון יכול לשלוט על חוויית המשתמש ולנהל את העברת הנתונים אל המכשיר וממנו. אינטרנט אלחוטי הוא שיטה נוספת המאפשרת לקשר בין מכשירים המספקת ערוץ קבוע להעברת נתוני חיישנים, אך הצימוד עשוי להיות קצת יותר מאתגר.
בלוטות’ סמארט מציע שימוש במשואות, מה שמקל מאד על תהליך הצימוד. משואות יכולות להתריע על נוכחותן לסמרטפון כאשר שני המכשירים נמצאים בקרבת מקום. לעומת זאת, צימוד Wi-Fi מצריך לחיצה על כפתור Wi-Fi ישיר על גבי הנתב, שנמצא לפעמים בחדר אחר.
יצירת נתונים יקרי ערך
הערך של חיבוריות המכשירים ל-IoT נוצר על ידי MCU בעלי צריכה נמוכה המשולבים עם משדר בלוטות’ סמארט. ה-MCU אוסף את נתוני החיישנים, כמו צריכת חשמל או שעות פעולה, שנוצרו בתוך המכשיר, ושומר אותם בפורמט שניתן לשימוש. כאשר סמרטפון מתחבר למכשיר החשמלי, הנתונים מועלים למכשיר ומשודרים או מוצגים. ה-MCU והמשדר בעלי הצריכה הנמוכה תואמים גם לתקנות הממשלתיות על ידי הוספת חיבוריות מבלי להגביר בצורה מדידה את צריכת החשמל.
בלוטות’ פריימר
טבלה 2 . השוואה של בלוטות’
נוכח הפשטות של המערכת הזו, בואו נגלה את הרכיבים לפרטיהם נתחיל עם בלוטות.’ קרוב לוודאי שכבר השתמשת בבלוטות’ באיזשהו אופן, אולי אפילו כבר במשך שנים. אולי יש לך אוזניות בלוטות’ לטלפון שלך, ובמכוניות רבות יש בלוטות’ להזרמת אודיו. אבל הבלוטות’ בו שנו מתעניינים כאן עבור מכשירי ה-IoT, הוא בלוטות’ סמארט Smart) .(Bluetooth זהו תקן חדש שיצא רק לאחרונה מבלוטות’ SIG. תקן חדש זה מאפשר פעולות בצריכת אנרגיה נמוכה, אידיאליות עבור יישומי IoT. בטבלה 22, תראה שהבלוטות’ הקלאסי מציע טווח רחוק יותר וקצב העברת נתונים של 2.1 Mb לשנייה. אך עבור יישומים בעלי קצב העברת נתונים נמוך כמו מכשירי ה-IoT, אין צורך בקצב גבוה כל כך. הייתרון של בלוטות’ הסמארט הוא בכך שהוא מתחבר במהירות, קצב העברת הנתונים שלו מתאים לצורכי ה-IoT והוא צורך פחות חשמל. בלוטות’ סמארט תוכנן במיוחד עבור מכשירים בקצה ה-IoT. כפי שמצוין בהגדרת וויקיפדיה של מכשירי -IoT הם צריכים להיות מזוהים באופן ייחודי. לבלוטות’ סמארט יש את היכולת הזו. למשל, באיור 2 משורטט הארגון של היישום הרפואי של בלוטות’ סמארט.
ההיררכיה באיור 2 מראה את פרופיל לחץ הדם של בלוטות’. לפרופיל זה יש שירותים המקושרים אליו, כמו שירות המכשיר ושירות לחץ הדם. ניתן לראות שהפרופיל כולל ,UUID מידע זיהוי ייחודי (בדוגמא זו, היצרן, נתון חובה עבור ה-IoT). זוהי רק דוגמא אחת של פונקציה המהווה חלק מפרופיל התכונות הגנריות (GATT) של בלוטות’ סמארט. פרופילים אלה נתמכים בדרך כלל ישירות במכשיר הבלוטות, כפי שמוצג באיור 3. קיימים פרופילים ליישומים רבים אחרים, כולל פרופיל שניתן להתאים. הפרופיל שניתן להתאים הוא אידיאלי עבור מכשירי חשמל.
בלוטות’ סמארט חוסך אנרגיה
איור 2. ההיררכיה בפרופיל של בלוטות’
בנוסף למאפיינים בעלי זיהוי ייחודי, מה שהופך את המשדר של בלוטות’ סמארט לאידיאלי עבור מכשירי IoT הוא צרכי האנרגיה שלהם. למשדר יש יכולת להישאר בצימוד עם סמרטפון מבלי להצטרך חיבור קבוע; ומאחר והחיבורים צורכים אנרגיה, דבר זה חוסך אנרגיה. במשדר הבלוטות’ יש “מרווח חיבור” והשהיית אירוע חיבור Latency)Slave) שמאפשרת חסכון זה באנרגיה. באיור 4, תוכל לראות שמרווח החיבור הוא מרווח הזמן שבינו ההתקן ההיקפי משדר לסמרטפון או “למרכזיה” לפני שהוא נכנס למצב צריכה נמוכה. מרווח זמן זה יכול להשתנות מכמה מילישניות ועד מספר שניות, כאשר הסדירות של החיבור נקבעת על ידי השהיית אירוע החיבור (LatencySlave). פרמטרים אלה, כאשר הם משולבים, מאפשרים משלוח של הנתונים בתדירות גבוהה של פעם ב-7.5 מילישניות, או במרווחים גדולים יותר של כל 33 דקות, לחסכון מקסימלי באנרגיה.
מאפייני ה-MCU בעל הצריכה הנמוכה
כמובן שהחצי השני של משוואת החסכון באנרגיה הוא ה-MCU. צריכת האנרגיה נקבעת בעיקר על ידי מצב המתח החשמלי ומהירות השעון.
מצבי מתח
רבים מה-MCU החדשים החסכוניים באנרגיה כוללים מצבי מתח. מדובר ביכולת לשנות את התצורה של ה-MCU באמצעות בקרה על ידי תוכנה. דוגמאות אופייניות הם run, doze, idle, low-voltage sleep, ו-deep sleep. לכל אחד מהמצבים האלה יש תכונות עיקריות המשפיעות על צריכת המתח. למשל, ל-PIC® MCU יש מצבי נמנום ושינה במתח נמוך. במצב הנמנום, ה-MCU יכול להריץ קוד בתדירות נמוכה יותר מאשר ההתקנים ההיקפיים שלו הנמצאים על השבב. דבר זה מפחית את צריכת הזרם, ומאפשר למרות זאת להתקנים היקפיים כמו UART לתקשר בקצב התקשורת הנכון. שינה במתח נמוך מעבירה מהווסת בעל הביצועים הגבוהים שנמצא על השבב לווסת בעל מתח נמוך, המאפשר שמירה מלאה של מצב ה-MCU תוך שימוש בזרם של כמה מאות נאנו -אמפר בלבד. מעבר מפעולה שוטפת (run) לשינה במתח נמוך מפחיתה את צריכת הזרם ב- 99.9%.
מיתוג השעון
איור Bluetooth® Smart .3 מודול של קוביות תרשים
ליחידות MCU בעלות מתח נמוך יש גם אפשרות מיתוג שעון. זוהי היכולת לשנות את תדירות השעון על פי המשימה. אם מריצים אלגוריתמי סינון במתמטיקה גבוהה או נתוני חיישן, צריך לפעול במהירות שעון מלאה. בלולאה פשוטה, ובהמתנה לפיסוק, ניתן להוריד את מהירות השעון כדי לחסוך זרם. השימוש בשיטות אלה מאפשר להפחית את צריכת הזרם מ-5 מיליאמפר ל-26 מיקרו-אמפר- חיסכון של .99% השורה התחתונה:
MCU במתח נמוך מקלים על חסכון באנרגיה.
אל הקצוות של IoT
איור 4. זמן התקשרות של Smart Bluetoo
הצטרפות לקצוות של ה-IoT היא בהחלט אפשרית עבור שורה רחבה של מודלים של מכשירים. על ידי שימוש בפונקציה המובנית של MCU של מתח נמוך ומשדרי בלוטות’, ניתן עכשיו ליצור חיבור ל-IoT ממכשיר ששומר על תאימות לתקני צריכת האנרגיה. חיבור זה מאפשר איסוף, עיבוד והעברה של נתונים אל סמרטפונים בדרכים שלא היו אפשריות לפני רק מספר שנים. מאחר והסמרטפון מהווה אושיה בחיי היומיום המודרניים, הוא מספק גם שער כניסה ליישומים מייצרי ערך. הצרכנים מעריכים את החיבוריות מכיוון שהיא מאפשרת להם לנהל את החיים העסוקים שלהם ממכשיר שנמצא תמיד לידם, הסמרטפון שלהם. גם הייצרנים מרוויחים מהחיבוריות הזו בכך שהם לומדים על ביצועים ושימוש של מוצרים, ומאפשרים שימוש בטכניקות שיווק ושירות מודרניות כדי להפחית עלויות לאורך החיים ולשפר את ההכנסות, וכן לזכות בתובנות לגבי הפיתוח של מכשירים מהדור החדש.
ה-IoT כבר כאן, והוא מציג הזדמנויות חדשות אז קפוץ על הרכבת.
מקורות:
http://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_Things .1
(2013) https://developer.bluetooth.org/TechnologyOverview/Pages/BLE.aspx .2
(2014) http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70005191A%20(1).pdf .3
(2014) http://www.microchip.com//wwwAppNotes/AppNotes.aspx?appnote=en572728 .4
