משואות חכמות ממנפות מערכת-על-שבב Bluetooth עבור תובנות למידת מכונות (ML‏) מחוברות

מחזורי פיתוח המוצר והתמיכה של היום נעים במהירות. מוצרים משובצים המזהים תקלות תוכנה וחומרה ומעניקים תובנות לגבי התנהגות המשתמש, מספקים את הנתונים הדרושים למהנדסים כדי לשמור על תפקוד תקין ושיפור הציוד.

אך לא כל הציוד התעשייתי מחווט עבור חיבוריות קלה לתמיכה במוצרים משובצים אלה. אפילו מוצרים המתוכננים עבור אינטרנט של דברים (IoT) עלולים להיתקל בבעיות חיבוריות כגון הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), רוחב פס מוגבל וכבלים ארוכים.

הופעתה של טכנולוגיית מערכת-על-שבב (SoC) התומכת ב-Bluetooth מעניקה למהנדסים גישה לחיבוריות חלקה לצד עוצמת מיקרו-מעבד התומכת בלמידת מכונה (ML) מובנית. שילוב זה של חיבוריות עם ניתוח חכם הוא כלי רב-ערך במחזור תכנון ותמיכה פרואקטיבי, במקום ריאקטיבי.

איסוף נתונים חכם משנה את פיתוח ותמיכה במוצרים

פיתוח ותמיכה מוצלחים של מוצרים דורשים נתוני שימוש. המתכננים שאינם יודעים כיצד לקוחות משתמשים במוצר, כולל על אלו מאפיינים הם מסתמכים ואלו מהם הם מסורבלים או עם באגים, יתקשו לשדרג את המוצר עד לרמה שהמשתמשים רוצים. בדומה, אנשי תמיכה אינם יכולים לפתור בעיות כראוי מבלי לדעת את התנהגות המשתמש, סטטוס המערכת, תנאי הסביבה ונתונים עיקריים אחרים ממש לפני או במהלך הבעיה.

מוצר עם חיבוריות ואנליטיקה מודרניים מובנים יכול להפוך הן את איטרציות התכנון והן את התמיכה ליעילים יותר. מוצרים משובצים ומשואות חכמות יכולים לזהות תנאי סביבה כמו טמפרטורה, לחות ולחץ ברומטרי, כמו גם לחוש תאוצה במספר צירים, אור סביבה ושדות מגנטיים. חתימות-זמן משעון זמן-אמת (RTC) מאפשרות לקשר את הנתונים עם אירועי מערכת אחרים, באמצעות ניתוח נתונים מובנה או בעת שידור לשרת ענן באמצעות Bluetooth.

לדוגמה, משואת תנועה חכמה המחוברת למערכת תנועה ליניארית בסביבה תעשייתית עשויה לזהות שהרעידות מתגברות כאשר הלחות עולה. מעבדים מובנים יוכלו לאחר מכן לשדר התרעה למהנדסי התחזוקה כי יש צורך בגירוז נוסף. סוג זה של טיפול פרואקטיבי בתקלות מפחית את זמן השבתת הציוד ואת עלויות התחזוקה.

מתכנני מוצר עשויים גם להשתמש בנתוני הרעידות והסביבה הרשומים כדי לשפר גרסות עתידיות של מערכת התנועה הליניארית. לדוגמה, הם עשויים להמליץ על חומר גירוז אחר המחזיק מעמד זמן רב יותר בתנאים לחים. ייתכן שהם גם יתכננו מחדש את מערכת הגירוז כדי להגן עליה טוב יותר מפני פגעי מזג האוויר.

אתגרי מימוש ופתרונות

על מנת לממש את היתרונות של איסוף נתונים משופר בסביבת IoT, המהנדסים חייבים למטב את איסוף וניתוח הנתונים. כל העברת מידע לענן לצורך ניתוח טומנת בחובה שיהוי (Latency‏) מובנה ומפחיתה את אבטחת הנתונים. מערכות משובצות ומשואות חכמות נלחמות בכך על ידי אריזת יכולות בינה מלאכותית (AI‏) ולמידת מכונה (ML‏) בתוך היחידות עצמן. מערכות AI‏ קצה ו-TinyML‏ אלו מכילות מודלי תוכנה מצומצמים המאפשרים למעבדים לבצע היסקים חכמים על סמך נתונים שהם מקבלים מהעולם האמיתי.

יכולות ML‏ מובנות יכולות להיות פשוטות כמו התאמת נתוני רעידות, נתוני סביבה וחתימת-זמן גלובלית, או מורכבות מספיק כדי לחזות צורכי תחזוקה על סמך מגמות הנתונים. מודול ML‏ יכול להיות מורכב או פשוט, לקבל ולעבד נתונים בזמן-אמת מבלי להשתמש במשאבי רשת, וכתוצאה מכך להשיג תובנות בזמן-אמת עם צריכת אנרגיה מינימלית.

ועדיין, משואות חכמות ומערכות משובצות בסופו של דבר צריכות לתקשר סטטוס להתקנים אחרים או לשרת דרך רשת. מערכות רבות מדורות קודמים מתוכננות עבור חיבוריות טורית קווית עם פרוטוקולים כמו PROFIBUS, DeviceNet, CANOpen ו-Modbus RTU. ציוד מודרני יותר מסתמך על פרוטוקולים מבוססי Ethernet בעלי שיהוי (Latency‏) קצר כמו PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP או Ethernet POWERLINK. עם זאת, תקשורת טורית ותקשורת Ethernet כאחד דורשות כבלים עבור נתונים והספקת-כוח ברצפות הייצור, יחד עם האתגרים הנלווים של EMS, פגיעה באות לאורך כבלים ארוכים, וההשקעה במתקנים הנדרשת כדי להפחית סכנות מעידה ולספק נתיבים לכלי רכב מונעים או אוטונומיים.

תקשורת בתדרי רדיו (RF) לטווח קצר באמצעות פרוטוקולי Bluetooth‏ מתגברת על רבים מהאתגרים הללו. גרסות מסוימות של Bluetooth‏, כמו Bluetooth Low-Energy‏ (BLE), מתוכננות לשדר אותות חזקים עד 150 מטר עם ההספק הזמין מסוללת כפתור, ובכך מבטלות את הצורך בכבלי כוח ונתונים כאחד.

אות BLE פועל בפס התדרים GHz‏ 2.4‏, התומך גם בכמה רשתות סלולריות ו-Wi-Fi. בעוד שפס-התדרים המשותף יכול להוביל להפרעות ברשת ולפגיעה בתקינות האותות, זהו גם הפס האמין ביותר להתגברות על מכשולים בקו-הראייה, כגון קירות וציוד. כדי להתגבר על חששות בנוגע לקו-הראייה וההפרעות, מערכות BLE רבות יכולות להיות מחוברות לרשתות מסוג Mesh‏ כדי להשתמש בפרוטוקול אינטרנט גרסה 6 (IPv6) עבור חיבור התקני BLE זה לזה ולענן (איור 1). נקודות חמות של בלוטות' הממוקמות אסטרטגית יכולות גם לשפר את עוצמת האותות ואת תקינותן בתוך רשת Mesh‏.

איור 1: משואות חכמות והתקנים אחרים יכולים להשתמש ב-Bluetooth כדי להתחבר לנקודה החמה הקרובה ביותר ללא שיוך. נקודות חמות יכולות לאפשר רשתות Bluetooth Mesh או להתחבר לשירותי ענן דרך Wi-Fi. (מקור התמונה: Blecon LTD‏)

משואות חכמות מחברות יחד אנליטיקה ורשתות

באמצעות שילוב של איסוף נתונים, מנועי היסק AI‏ ו-ML‏, וחיבוריות רשתות, משואות חכמות התומכות ב-Bluetooth מספקות תובנות לגבי פעולת המוצר, התנהגות המשתמש ותחזוקה חזויה, אפילו בציוד שאינו מיועד עבור מערכות משובצות. דוגמה אחת היא ה-L02S-BCN של Blecon LTD (איור 2).

איור 2: משואות חכמות L02S-BCN הן בעלות חיבוריות BLE, מספר אפשרויות חישה, נורות LED בעלות נראות גבוהה וסוללה הניתנת להחלפה בשטח במארז IP67. (מקור התמונה: Blecon LTD)

המשואות החכמות L02S-BCN מופעלות על ידי SoCs רבי-פרוטוקולים סדרת nRF54L15‏ (איור 3) של Nordic Semiconductor‏. שבבים אלה משלבים רדיו רב-פרוטוקולים GHz‏ 2.4‏ התומך בפרוטוקולי Bluetooth גרסה 5.4, IEEE 802.15.3-2020‏ ו-GHz‏ 2.4‏ במהירויות העברת נתונים של עד Mbps‏ 4‏ עם מעבד Arm® Cortex®-M33 במהירות MHz‏ 128‏ הפועל על KB‏ 265‏ RAM‏. MB‏ 1.5‏ של זיכרון בלתי-נדיף יכולים לאחסן קריאות וניתוחים של חיישנים אם חיבוריות רשת אינה זמינה.

איור 3: ל-SoCs רבי-פרוטוקולים סדרת nRF54L15 יש רדיו רב-פונקציות, אבטחת PSA Level 3, מעבד MHz‏ 128‏ עם זיכרון RAM של KB‏ 256‏, וציוד היקפי לחומרה ותוכנה התומכים ב-AI‏ קצה ו-ML‏. (מקור התמונה: Nordic Semiconductor‏)

לשבב nRF54L15 יש אבטחה מובנית המיועדת עבור מערכות IoT. בידוד TrustZone, הגנה על ערוץ-צד ופרוטוקולי זיהוי השחתה מאשרים אותו לארכיטקטורת אבטחת פלטפורמה (PSA‏) Level 3‏. מערכות אלו מבטיחות שמטענים של נתונים המועברים ממשואות L02S-BCN מוצפנים לצורך העברה מאובטחת, ושזהויות צומת הרשת מאומתות מהענן באמצעות תקשורת דו-כיוונית.

לשבבי nRF54L15 יש גם התקנים היקפיים מובנים המאפשרים למשואות חכמות L02S-BCN לאסוף, לנתח ולשתף נתונים ממערכות IoT. ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) של bit‏-14‏ מתרגם אותות מחיישני טמפרטורה, לחות, לחץ ברומטרי, תאוצה וחיישני רגישים לאור לנתונים דיגיטליים, בעוד ש-RTC גלובלי יוצר חתימת-זמן עבור כל קריאה. חמישה ממשקים טוריים, כולל ממשקים היקפיים טוריים (SPIs‏), ממשקי 2‏-חוטים (TWIs‏), ומקלטים/משדרים אסינכרוניים אוניברסליים (UARTs), מחברים רכיבי עיבוד וחישה.

בנוסף לאפשרויות החיישנים הפיזיים הללו, משואות L02S-BCN פועלות גם כהתקנים משובצים, ומשתמשות בתוכנת Memfault‏ משולבת-מראש על מעבדי-עזר Reduced Instruction Set Computing‏ (RISC-V‏) גרסה חמש בתקן פתוח, כדי לזהות ולדווח על קריסות, תקלות תוכנה, סטטוס סוללה והתנהגות המשתמש לענן. תוכנת Memfault מנהלת גם עדכונים-דרך-האוויר (OTA), כך שאין צורך לאחזר התקנים שנפרשו.

משואות L02S-BCN מדגימות גם את השימוש ב-Edge Impulse, פלטפורמת AI‏ קצה, כדי להעניק ML‏ מבלי להשתמש במשאבי הרשת. טכנולוגיית Edge AI מסירה את השיהוי (Latency‏) ומאפשרת למשואות L02S-BCN לפעול על סוללות כפתור CR2477‏ של mAh‏ 1,000‏ הניתנות להחלפה בשטח. משואות L02S-BCN עם גובה 69.9 מ"מ, רוחב 46.7 מ"מ ועובי 18 מ"מ כוללות מארזים בדירוג IP67 המונעים אבק ועומדים בטבילה במים בעומק של מטר אחד למשך עד 30 דקות. ניתן להרכיב את המשואות על ציוד באמצעות דבק דו-צדדי, ברגים או אזיקונים.

סיכום

משואות Bluetooth‏ חכמות מביאות חישה, חיבוריות ו-AI‏ ו-ML‏ קצה ליישומי IoT‏ ותעשייה. מופעלים על SoCs‏ כגון ה-nRF54L15 של Nordic Semiconductor התומכים באיסוף נתונים, ניתוח עם שיהוי (Latency‏)-אפס ועדכוני OTA, משואות חכמות כמו ה-L02S-BCN של Blecon מתגברות על מחסומי חיבוריות והופכות ציוד הפרוש בתעשייה למוצרים משובצים עם יכולות ML‏.