Technologie bezprzewodowe dla domów przyszłości

W ostatnich latach różne czynniki spowodowały, że potrzeba tworzenia inteligentnych rozwiązań sterowania dla domu zwiększyła się znacząco. Głównym czynnikiem był wzrost świadomości konsumentów co do kosztów związanych ze zużyciem energii oraz kwestiami środowiskowymi. Potrzeba zmniejszania konsumpcji energii wynikała również z regulacji prawnych. W wielu krajach wprowadzono przepisy, które wymagają, aby prywatni odbiorcy zwracali większą uwagę na zużywaną przez nich energię, a przedsiębiorstwa inwestowały w projekty mające na celu zwiększenie efektywności jej wykorzystania.

Regulacje te przyczyniły się do powstania nowej kategorii produktów - inteligentnych liczników (smart meters), które zapewniają zdalną informację o zużyciu energii. W wielu krajach - np. Wielkiej Brytanii - wykorzystanie tego typu urządzeń rośnie bardzo szybko. Sprzyja temu wzrost zainteresowania odbiorców energii obniżaniem jej zużycia, a także możliwością skorzystania ze znaczących dopłat, gdyż w części przypadków wraz z tymi produktami oferowane są atrakcyjne taryfy energetyczne.

Firmy dostarczające media mogą również czerpać oszczędności z wykorzystania bezprzewodowego, zdalnego odczytywania liczników (AMR). Dotyczy to w szczególności zmniejszania kosztów ewidencjonowania zużycia energii oraz rozliczania klientów. Logicznym przedłużeniem idei dzisiejszych inteligentnych liczników będzie wdrożenie aktywnych systemów monitorujących i kontrolujących pracę urządzeń domowych, które zużywają najwięcej energii.

Omawiane rozwiązania pozwalają nie tylko na osiągnięcie oszczędności przez konsumentów, ale też stworzenie inteligentnych sieci (tzw. smart grid), które pozwolą na działanie energochłonnych urządzeń - np. suszarek do ubrań - w okresach, gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną jest niższe. Wraz z tym jak możliwości omawianych systemów rozwijają się, prawdopodobne jest, że dodane zostaną do nich inne funkcje, takie jak monitorowanie pracy czujników dymu i systemów ochrony. Aby zrealizować tego typu sieci, poszczególne urządzenia muszą mieć możliwość ujednoliconej komunikacji ze sobą.

Chociaż popyt na inteligentne rozwiązania domowe jest coraz większy, inżynierowie muszą wciąż pokonać wyzwania związane ze stworzeniem prostego, niezawodnego i ekonomicznego sposobu łączenia urządzeń w sieci. Tworzenie połączeń kablowych jest w tego typu zastosowaniach niewykonalne, przez co komunikacja musi odbywać się bezprzewodowo. Mimo że wiele osób ma obecnie bezprzewodowe routery szerokopasmowe do sieci Wi-Fi (IEEE 802.11), wykorzystanie istniejącej infrastruktury do omawianych zastosowań jest w większości przypadków nie najlepszym rozwiązaniem.

Rysunek. Schemat blokowy JN5148

Podzespoły komunikujące się w sieciach 802.11 zużywają relatywnie dużo energii elektrycznej i trudno jest stworzyć systemy, gdzie urządzenia przebywają przez większość czasu w trybie uśpienia. Z tych powodów Wi-Fi jest rozwiązaniem niepraktycznym dla zasilanych bateryjnie urządzeń domowych. Znacznie lepszym pomysłem na stworzenie rozwiązań dla sieci inteligentnych i łączności w automatyce domowej jest IEEE 802.15.4.

Chociaż jest to standard nowszy niż Wi-Fi, jest on - a także protokoły wykorzystujące do transmisji 802.15.4 - dojrzały technologicznie i stanowi doskonałą platformę dla sieci bezprzewodowych, pozwalając na rozwój innowacyjnych produktów automatyki domowej. Zapewnia też niezawodną łączność w warunkach domowych, a same urządzenia zużywają bardzo mało energii, co pozwala na ich pracę z wykorzystaniem jednej baterii nawet przez 10 lat.

Rozwiązania zgodne z 802.15.4 tworzą elastyczną platformę, umożliwiając inżynierom je wdrażającym na wykorzystanie różnorodnych protokołów komunikacyjnych. Proste sieci mogą być rozwijane z wykorzystaniem protokołu własnościowego działającego na bazie 802.15.4. W przypadku produktów konsumenckich, gdzie wymagane jest zachowanie kompatybilności pomiędzy wyrobami pochodzącymi od różnych dostawców, protokoły takie jak ZigBee zapewniają wymaganą funkcjonalność i standaryzację.

Chociaż ZigBee jest prawdopodobnie najbardziej znanym standardem wykorzystującym 802.15.4, cechuje się on pewnego rodzaju przewymiarowaniem, jeżeli chodzi o zastosowania w systemach automatyki domowej. W tych ostatnich nie jest zazwyczaj bowiem wymagana kompatybilność z produktami pochodzącymi od innych dostawców. Z tego powodu producenci półprzewodników zaproponowali protokoły, które eliminują niewykorzystywane części złożonych standardów takich jak ZigBee.

Prawdopodobnie najbardziej znanym z nich jest JenNet z Jennic. JenNet zapewnia samonaprawialną się sieć, która może być skalowana do tysięcy urządzeń. Jest to zdecydowanie więcej, niż potrzeba do zastosowań domowych! Co jednak ważniejsze - protokół zapewnia projektantom znacznie prostszy stos sieciowy z łatwym w obsłudze API (interfejsem programistycznym), co skraca czas cyklu rozwoju aplikacji.

Dostępny jest nawet AT-Jenie API, który umożliwia wymianę danych ze stosami sieciowymi Jennic, peryferiami mikrokontrolera oraz usługami systemowymi, korzystając z zestawu poleceń przypominających komendy AT. Omawiany stos dostępny jest darmowo, przez co nie zwiększa się koszt stworzenia produktu końcowego, a wręcz sumaryczne koszty rozwoju są redukowane dzięki intuicyjnemu interfejsowi API. Kolejną z istotnych do podjęcia decyzji jest wybór dostawcy sprzętu.

Każdy dostawca produktów konsumenckich poddawany jest obecnie dużej presji cenowej, przez co inżynierowie muszą minimalizować koszt wykorzystywanych elementów i produkcji. Rozwiązanie jednoukładowe zapewnia nie tylko oszczędności związane z mniejszą liczbą komponentów, ale też zmniejsza wielkość i koszt produkcji ostatecznego rozwiązania. Wielu dostawców rozwiązań bezprzewodowych małej mocy to producenci standardowych mikrokontrolerów, przez co większość dostępnych rozwiązań wymaga użycia dwóch elementów - dopasowanego do aplikacji rozwiązania zapewniającego łączność bezprzewodową oraz oddzielnego mikrokontrolera dla aplikacji.

Jennic zapewnia wydajniejsze podeście - 32-bitowy mikrokontroler, który integruje bezprzewodowe 802.15.4 MAC i PHY, zapewniając efektywne kosztowo rozwiązanie jednoukładowe. Cechuje się on pamięcią i mocą obliczeniową wystarczającą nawet do najbardziej wydajnych aplikacji, takich jak ZigBee Pro, a przy tym niskim kosztem, co predestynuje go do aplikacji automatyki domowej. We wszystkich przypadkach zintegrowany procesor zapewnia wystarczającą moc obliczeniową do obsługi warstwy sieciowej oraz jednoczesnego wykonywania kodu aplikacji użytkownika.

Na rysunku przedstawiono schemat blokowy JN5148 - najnowszego produktu w rodzinie Jennic. Jest to 32-bitowy procesor RISC, który cechuje się zwiększoną wydajnoścą obliczeniową (do 32 MIPS), zawiera transceiver IEEE802.15.4 2,4GHz, a także 128kB pamięci ROM i tyle samo RAM. Pozwala to na obsługę stosu sieciowego, aplikacji użytkownika oraz szerokiej gamy urządzeń peryferyjnych.

Oprócz elementów takich jak przetworniki analogowo-cyfrowe, układy UART, timery i liczniki ogólnego przeznaczenia oraz inne elementy peryferyjne mikrokontrolera, zawiera on także: czteroprzewodowy, cyfrowy interfejs audio, w przypadku którego można bezpośrednio wykorzystać popularne kodeki, niskomocowe liczniki impulsów służące do aplikacji automatycznego odczytu liczników (AMR), a także układy wykorzystywane w systemach lokalizacyjnych.

Zagadnienia związane z komunikacją radiową wymagają podczas projektowania urządzeń specjalistycznej wiedzy z zakresu techniki RF, co może nie należeć do kompetencji firmy dostarczającej produkty konsumenckie. Ponadto badania i certyfikacja wymagane dla nowego projektu mogą być czasochłonne. Na rynku konsumenckim, gdzie konieczne jest zachowanie krótkich okresów rozwoju produktów, tworzenie rozwiązań bezprzewodowych może być więc ryzykowne dla całych projektów.

Tabela. Porównanie rozwiązań bezprzewodowych

W tej sytuacji najlepszym rozwiązaniem jest skorzystanie z modułów dostępnych z półki, które pozwalają na szybkie tworzenie prototypów i bezpieczne doprowadzenie projektów do etapu produkcji seryjnej. Jennic to grupa modułów, które umożliwiają inżynierom tworzenie rozwiązań bezprzewodowych stosowanych w aplikacjach takich jak te omawiane we wstępie artykułu. Ich wykorzystanie nie tylko skraca czas opracowania produktów, ale również praktycznie eliminuje ryzyko niezakwalifikowania produktu, co prowadziłoby do dalszych opóźnień i zwiększenia kosztów rozwoju.

Pomimo że idea w pełni kompleksowych systemów automatyki domowej jest wciąż jeszcze nieco odległa, obecnie dostępne są już relatywnie proste produkty, takie jak inteligentne liczniki energii, które tworzą fundamenty przyszłych, bardziej kompleksowych systemów. Wybierając odpowiednią technologię komunikacyjną, dostawca może zmniejszyć ryzyko stworzenia aplikacji i zagwarantować skalowalność rozwiązania. Firmy tworzyć mogą produkty, które spełniają dzisiejsze potrzeby konsumentów, będąc jednocześnie platformą do rozwoju rozwiązań jutra.

Farnell
www.farnell.com/pl