Потенциал промышленного «Интернета вещей» (IoT)

IoT — это не только потребительские приложения. Он имеет большой потенциал в промышленном секторе благодаря услугам, которые будут предоставляться по мере подключения к облаку датчиков и оборудования. Важно не путать IoT с межмашинной, или М2М-связью, поскольку это не одно и то же. М2М традиционно базируется на фирменной технологии, являющейся закрытой средой в отличие от сети IoT, которая представляет собой открытую среду и использует стандартные методы доступа к Интернету и его стандартные услуги — точно такие же, какие используются потребителями.

Этот уровень открытости позволяет датчику газа «твитнуть» или отправить текстовое сообщение оператору в случае проблемы, что не так просто для системы М2М.

При наличии связи через облако для приложений с поддержкой IoT открываются большие возможности на промышленном рынке. IoT — это эффективная технология, предлагающая новые способы использования и услуги на самых разнообразных рынках и в различных областях применения. Когда люди вспоминают об IoT, они часто думают о способах его применения в быту и для личного пользования, однако на самом деле подключаемые к IoT продукты будут играть важную роль в «умном» производстве, «умных» городах, на автотранспорте, в автоматизации зданий, а также в здравоохранении.

Промышленный IoT обладает большим потенциалом благодаря услугам, которые будут предоставляться по мере подключения к облаку все большего количества датчиков и оборудования. При его полноценном использовании IoT должен повышать эффективность (например, энергопотребления, производства, техобслуживания и т. п.) и обеспечивать повышение уровня защиты и безопасности, повышение квалификации, предоставлять новые коммерческие услуги и давать многое другое в различных отраслях деятельности.

    • «Умное» производство

Производители добавляют в свои изделия или производственную линию возможности беспроводной связи для усовершенствования производственного процесса. При наличии встроенной беспроводной связи производителям проще получать информацию от заводского цеха в свои «облачные» системы, чтобы быстро решить любые проблемы до того, как продукция уйдёт с завода. Производители также хотят использовать возможности связи для сбора информации об оборудовании на месте эксплуатации. Эта информация помогает им находить неисправности, контролировать оборудование, а также позволяет обновлять программное и программно-аппаратное обеспечение «по воздуху», что раньше было совершенно невозможно.

    • Автоматизация зданий

Во многом похожая на промышленную автоматизацию, автоматизация зданий может подключаться к датчикам для включения и выключения светильников в зависимости от присутствия людей и позволяет выполнять динамическое управление системами вентиляции и кондиционирования, что способствует оптимизации энергопотребления. Предупредительное техобслуживание также является выгодным для обеспечения своевременности ремонта, что сокращает расходы.

    • «Умные» города

Подключение элементов в пределах «умного» города к IoT может обеспечить снижение потребления электричества и воды при помощи электронных счётчиков с целью экономного расходования ресурсов. Использование «умных» уличных фонарей, а также подключение к облаку мониторов наблюдения за порядком и контроля дорожного движения поможет обеспечить спокойную жизнь в городе. И, наконец, датчики по всему городу обнаруживают утечку газа и воды из трубопроводов и обеспечивают безопасность горожан и надёжное функционирование коммунальных сетей.

    • Автотранспорт

Подключённые автомобили предоставляют услуги информационной поддержки, чтобы передавать развлекательные программы, обеспечивать навигацию и предоставлять другие подключенные услуги. Замена проводов беспроводной связью приводит к снижению веса автомобилей и повышению их топливной экономичности, а также обеспечивает управляемое датчиками профилактическое техобслуживание для экономии на дорогостоящих ремонтах.

    • Магазины розничной торговли

Подключённая среда розничной торговли может лучше отслеживать запасы товаров и динамически менять цифровые этикетки хранящихся товаров. В сочетании с программами постоянных покупателей, подключённые к IoT маячки в магазине могут обслуживать купоны и предлагать товары на основании предпочтений покупателей прямо на их смартфонах, пока они ходят по магазину.

    • Здравоохранение

Существуют дополнительные возможности позаботиться о здоровье и безопасности работников через IoT за пределами рабочего места. Подключенные носимые устройства и мониторинг самочувствия улучшают общее состояние здоровья.

    • Другие рынки

Многие из приведённых выше примеров относятся также и к потребительскому рынку. Однако промышленный IoT отличается от потребительских приложений. Промышленная сеть требует других интерфейсов и протоколов, устойчивых к помехам, изменениям условий окружающей среды, отличающихся управляемой латентностью и высокой степенью безопасности из-за условий и областей применения, в которых они используются.

Кроме того, конъюнктура промышленного рынка меняется гораздо медленнее, чем конъюнктура потребительского рынка, поэтому переход промышленного рынка на подключение к IoT займёт некоторое время. Выгоды от профилактического техобслуживания, мониторинга и анализа больших данных с целью повышения производительности или улучшения условий работы в сочетании с доступностью нужных аппаратных и программных решений дадут финансовое обоснование для перехода в будущем к системам с подключением к IoT — это остаётся только вопросом времени.

Переход на новый низкий уровень мощности — платформа сверхнизкомощных (ULP) беспроводных МКБ SimpleLink™

Новая сверхнизкомощная платформа SimpleLink™ CC26xx/CC13xx для Bluetooth® Smart, 6LoWPAN, ZigBee®, Sub-1 ГГц и ZigBee®RF4CE™ строится и проектируется с учётом низкой мощности. Мы рассмотрели все аспекты, имеющие значение для обеспечения того, чтобы потребляемая нашим решением энергия была как можно меньше, чтобы продлить срок службы батареек, уменьшить их размеры или даже обойтись сбором энергии для безбатарейных устройств.

Применение

Вопреки распространённому мнению, сам радиопередатчик редко является основным участником общего энергопотребления беспроводного микроконтроллера (МК). По мере развития различных технологий требуется все больше и больше вычислительной мощности, как раз когда сравнительно небольшие датчики и стеки беспроводных протоколов дают все больше непроизводительных издержек по мере развёртывания стандартов.

В семействе SimpleLink™ CC26xx имеется два доступных для приложения МК с очень высокой степенью энергосбережения.

ARM® Cortex®-M3

ARM® Cortex®-M3 является главным системным ЦП внутри устройства CC26xx. Одним из способов измерения производительности микроконтроллеров является использование оценочных инструментов. Одним из наиболее широко известных оценочных тестов является CoreMark от Консорциума по тестированию встраиваемых микропроцессоров (EEMBC). CoreMark — это простой, но достаточно многофункциональный оценочный инструмент, предназначенный для тестирования эффективности процессорного ядра, используемого во встроенных устройствах. Он независим от системы, поэтому он работает одинаково безотносительно к платформе (например, независимо от порядка записи байтов — от старшего к младшему или от младшего к старшему, от типа процессора — высоко- или малопроизводительного). Этот оценочный тест также показывает уровень энергосбережения ядра МКБ.

Баллы из таблицы 1 способствуют очень низкому среднему потреблению энергии во время активного использования. Во время работы ARM Cortex-M3 с максимальной скоростью (48 МГц) функционирующий ЦП потребляет 3 мА и превосходит по производительности любой беспроводной МК, работающий на менее эффективных ядрах или с меньшими тактовыми частотами ЦП. Энергоэффективность CC26xx по CoreMark (CoreMark/мА) — наилучшая по сравнению с любым конкурирующим продуктом с сопоставимым МКБ, что делает его самым энергоэффективным микроконтроллером из имеющихся на сегодня.

Таблица 1. Различные показатели CoreMark для CC26xx,
измеренные на CC2650-7ID при 3 В и 48 МГц

CC26xx ARM Cortex®-M3
Баллы CoreMark 141,85
CoreMark, МГц 2,955
CoreMark, мА 48,49
мкА / МГц 60,95

Контроллер датчиков

Уникальный сверхнизкомощный контроллер датчиков — это 16-битный ЦП в сочетании с такими периферийными устройствами, как аналого-цифровые преобразователи (АЦП), аналоговые компараторы, SPI/I2C и емкостной переключатель. Он предназначен для автономной работы, когда вся остальная система находится в режиме ожидания. Контроллер датчиков позволяет взаимодействовать с внешними аналоговыми или цифровыми датчиками методом, требующим очень низкой мощности (рисунок 1).

 Подсистема сверхнизкомощного контроллера датчиков может работать автономно, когда остальная часть системы находится в режиме ожидания

Рисунок 1. Подсистема сверхнизкомощного контроллера датчиков может работать автономно, когда остальная часть системы находится в режиме ожидания

Активизация всей системы для выполнения несущественных задач часто не является энергоэффективной, поскольку она вносит много непроизводительных издержек. Во многих случаях имеются задачи, которые должны запускаться с определёнными интервалами, которые имеют более высокие рабочие циклы, чем фактическая РЧ или основная деятельность. Одним из примеров может быть монитор частоты пульса, которому нужно запускать АЦП 10 раз в секунду для получения точной частоты пульса. Активизация всей системы для выполнения беспроводной передачи 10 раз в секунду в этом случае будет очень энергозатратной. В случае ультранизкопотребляю-щей платформы SimpleLink™ CC26xx можно позволить контроллеру датчиков выполнять все измерения АЦП и активизировать ARM® Cortex-M3® при каждом 10-м замере АЦП для дополнительной дальнейшей обработки и групповой РЧ-передачи этих данных.

Таблица 2. Энергоэффективность контроллера датчиков во время работы с основной частотой

  Ультранизкопотребляющий контроллер датчиков CC26xx
мкА / МГц 8,2

В примере на рисунке 2 контроллер датчиков может выполнять 10 считываний АЦП в секунду при среднем потреблении менее 3 мкА. Выполнение той же задачи с помощью ARM® Cortex®-M3 потребует 10-кратного увеличения энергопотребления.

 Контроллер датчиков может существенно снизить среднее потребление энергии

Рисунок 2. Контроллер датчиков может существенно снизить среднее потребление энергии

Контроллер датчиков может работать напрямую от заранее отмасштабированного генератора тактовых импульсов на 24 МГц, дающего возможность выполнять сбор данных и их простую обработку.

Радио

Пиковое потребление, вызываемое сильными токами передачи и приема беспроводных решений, раньше всегда накладывало ограничения на пригодные к использованию батарейки или существенно снижало их срок службы. Имея очень слабые пиковые токи контроллера CC26xx, равные примерно 6 мА (0 дБм на выходе), это больше не накладывает никаких ограничений на традиционные батарейки CR2032 и может даже позволить использовать меньшие батарейки. С точки зрения энергопотребления, радио больше не является главным потребителем и вызывает меньше проблем, и теперь больше не нужно оглядываться на выходную мощность, чтобы снизить пиковое потребление.

Спящий режим и отключение

В работающем от батарейки устройстве радиочастотный рабочий цикл (приём/передача) и его параметры определяют срок службы батарейки. Между передачами важно сохранять токи режима ожидания как можно более слабыми, чтобы в батарейке было достаточно электричества для активного использования. В CC26xx используется статическое ОЗУ (SRAM) со сверхнизкой утечкой, которое может полностью сохраняться (20 кбайт) и дополнительно иметь работающие часы реального времени (RTC) и сохранять состояние регистров и ЦП, находясь в режиме ожидания и при этом потребляя всего 1 мкА. В режиме отключения CC26xx может активизироваться при внешних событиях ввода/вывода, при этом потребляя всего 150 нА.

Предельный срок хранения батареек CR2032 увеличивается, и некоторые поставщики теперь заявляют о 10-летнем сроке службы батарейки.

Средний ток, потребляемый системой от батарейки CR2032 ёмкостью 220 мА•ч, должен быть менее 2,5 мкА, чтобы достигнуть срока службы в 10 лет [2]. Если базовый ток системы больше этого значения, нельзя достигнуть максимальных возможностей батарейки, независимо от того, насколько низкий активный рабочий цикл применяется.

Как среднее значение тока влияет на срок службы батарейки

Срок службы батарейки, в основном, определяется средним энергопотреблением. Это будет в значительной степени зависеть от условий использования, однако теперь есть оценочный тест от EEMBC под названием ULPBench™, который выполняет стандартизацию по параметрам листа данных и обеспечивает методику для надежного и справедливого измерения энергоэффективности МКБ. Тест ULPBench использует обычный набор нагрузок, которые переносятся через 8-, 16- и 32-битные микроконтроллеры, позволяет использовать низкомощные режимы МКБ, при этом фокусируя внимание на реальных приложениях, использующих встроенные аппаратные функции. В конце он анализирует результаты воздействия активных и низкомощных режимов [3].

 Баллы CC26xx ULPBench для сравнения

Рисунок 3. Баллы CC26xx ULPBench для сравнения



Таблица 3. Средние показатели для CC26xx, измеренные на CC2650-7ID при 3 В

CC26xk ARM® Cortex®-M3  
Баллы ULPBench 143,6
Соединение 1 с, Bluetooth® Smart (CC2640) <10 мкА

Другой общепринятый способ проверки среднего значения тока — рассмотреть конкретный случай использования данной технологии. Для Bluetooth® Smart один из способов состоит в том, чтобы определить среднее значение, поддерживая соединение между двумя устройствами в заданном интервале.

Все, что обсуждалось, становится понятным, если взглянуть на профиль потребления события беспроводной связи. На рисунке 4 показано событие соединения для Bluetooth® Smart — активизация, предварительная обработка стека программного обеспечения, события радиосвязи (как приём, так и передача) и последующая обработка/возвращение в период спящего режима.

Профиль мощности события соединения Bluetooth® Smart

Рисунок 4. Профиль мощности события соединения Bluetooth® Smart

Дальнейшие сведения о том, как рассчитать средние токи и срок службы батарейки для приложения Bluetooth® Smart, можно найти в [4].

Литература

  1. Cortex-M0+ Processor.
  2. Marketing Malarkey and Some Truths About Ultra-Low Power Design, Jack Ganssle 2014.
  3. EEMBC ULPBench.
  4. Measuring Bluetooth® Smart Power Consumption.