Kopioi artikkelin PDF-versio
Tekninen elinympäristömme on muuttumassa älykkääksi. Anturit ovat siirtymässä teollisuuden automaatiojärjestelmistä kohti kulutushyödykkeitä. Anturit kehittyvät yhä pienemmiksi, vähemmän virtaa kuluttaviksi ja halvemmiksi. Ne pystyvät myös tarvittaessa hälyttämään, kun jokin vaatii huomiotamme.
Ympäristössämme tapahtuu suuri mullistus, kun anturit muuttuvat meitä palvelevaksi huomaamattomaksi verkoksi. Tulevaisuuden älykäs toimistoympäristö reagoi pelkkään läsnäoloomme, esimerkiksi ilmastointijärjestelmä voi rekisteröidä hengitysilman laatua ja henkilöiden lukumäärää.
Anturi-informaatiota on pystyttävä siirtämään langattomasti laitteiden välillä. Kehon toimintaa mittaavan anturin on pystyttävä kommunikoimaan rannetietokoneen kanssa, jonka on kommunikoitava matkapuhelimen kanssa, jotta voisimme hyödyntää mobiiliverkon kautta sovelluksien globaaleja verkkopalveluita. Tämä luo suuria vaatimuksia lyhyen kantaman radioille. Bluetooth on jo olemassa oleva ratkaisu, mutta riittääkö se? Tarvitaanko pienempää tehonkulutusta, riittääkö lyhyempi kantama, ja voidaanko kommunikaatioprotokollia yksinkertaistaa?
Läsnä-äly uusilla antureilla
Taustana tulevaisuuden älykkäille ympäristöille ja läsnä-älylle (ambient intelligence, ubiquitous computing) on visio luoda uusi infrastruktuuri, joka auttaa meitä tekemään enemmän tekemällä vähemmän. MIT:n tutkijat ovat esittäneet läsnä-älylle kolme tavoitetta:
1) Teknologia on tuotava palvelemaan ihmisten jokapäiväistä elämää, tietokoneet ja kommunikaatio on määriteltävä tehtäviensä ja toteuttamiensa palvelujen mukaan.
2) Tarkoituksena on luoda ihmiselle yksinkertainen rajapinta sinänsä monimutkaiseen maailmaan.
3) Uusien teknologioiden käyttäjäryhmänä ovat kaikki ihmiset riippumatta koulutuksesta tai sosiaalisesta asemasta globaalisti.
Tämä merkitsee teknologisia haasteita. Prosessorien, antureiden ja radioiden täytyy olla halpoja, kestäviä sekä vähän energiaa kuluttavia, kun niitä sulautetaan elinympäristöömme. Läsnä-älyn täytyy olla loppukäyttäjille näkymätöntä. Sovellusten tulee olla skaalautuvia paikallisesta kommunikaatiosta globaaliin Internetiin saakka. Käyttämiemme laitteiden tulee kyetä sopeutumaan eri asteisiin älykkäisiin ympäristöihin ilman, että käyttäjä huomaa muutosta.
Rannetietokone vaativa sovellus
Tyypillisin mukana kulkeva laite on rannekello. Kun kelloon lisätään antureita paineen, lämpötilan, magneettisuuden ynnä muun sellaisen mittaamiseksi, käytetään siitä nimitystä rannetietokone.
Langattomasti lähettävät anturit mahdollistaisivat antureiden hajauttamisen ympäristöön tai kehon eri osiin rannetietokoneen toimiessa tiedon keruu-, prosessointi- ja näyttölaitteena. Rannetietokoneen käytettävyyttä lisää se, että sensoreilta langattomasti kerätty tieto voidaan samaa langatonta yhteyttä käyttäen siirtää edelleen Internetiin joko matkapuhelimen, PDA:n tai PC:n kautta.
Pienen koon ja pienen virrankulutuksen lisäksi kuluttajalaitteiden komponenttikustannusten täytyy olla alhainen. Toisaalta perinteisen Bluetoothin bittinopeudesta ja kantamasta voidaan tinkiä. Siirrettävää tietoa ei tarvitse myöskään salata. Jos antureita yhtä rannetietokonetta kohti on paljon, vaaditaan kuitenkin reaaliaikaisuuden saavuttamiseksi nopeaa yhteydenvaihtoa anturilta toiselle sekä enimmillään muutaman sadan kbps:n kokonaissiirtonopeutta. Kolmen metrin kantama on pääosin riittävä.
Ympäristömittaukseen uusia sovelluksia
Langattomuudella on etunsa jo olemassa olevissa ympäristömittaussovelluksissa. Langattomat anturit eivät tarvitse kaapelointia eivätkä liittimiä. Jopa täysin hermeettisesti suljetut anturimoduulit tulevat mahdollisiksi. Korroosionkestäviä mittalaitteita tarvitaan paitsi teollisuudessa myös kaikkialla, missä laitteet altistuvat suolalle ja vedelle.
Tulevaisuudessa langattomat anturiverkot, mobiilit päätelaitteet ja internetin palvelut mahdollistavat lukemattoman määrän erilaisia ympäristön tilan ja olosuhteiden mittaamiseen liittyviä sovelluksia. Läsnä-äly lähtee kenties liikkeelle toimistorakennuksista, levittäytyen tehtaisiin, koteihin, kaduille, golfkentille ja uimarannoille. Ilman hiukkas-, homeitiö- ja siitepölypitoisuutta valvovat anturit varoittavat allergikkoja; tiesääasema opastaa ohikulkevaa autoilijaa muuttumassa olevista keliolosuhteista; uimarannan ultraviolettianturi lähettää tiedon vallitsevasta säteilytasosta matkapuhelimeesi, joka taas kertoo yksilöllisesti turvallisen auringonottoajan.
Älykkään langattoman ympäristön laajentaminen tasalämpöisistä ja kuivista toimistoista ulko-olosuhteisiin on suuri haaste. Komponenteilta ja paristolta edellytetään huomattavan laajaa energia tehokasta käyttölämpötila-aluetta. Anturimodulit on koteloitava niin, että ne sietävät pölyä, sadetta ja jäätymistä. Kun anturit sijaitsevat maantieteellisesti laajalla alueella, on anturimoduulin oltava mahdollisimman huoltovapaa ja paristosta riitettävä virtaa useiksi vuosiksi: muuten anturiverkon huoltokustannukset nousevat ylivoimaisen suuriksi.
Matkapuhelin lähi- ja etäpalveluiden väliin
Matkapuhelimesta on tulossa väline, jolla kommunikoidaan lähietäisyydellä olevien älykkäiden laitteiden kanssa. Se on myös portti informaation siirrolle lähiympäristöstä mobiiliverkon kautta Internetiin. Matkapuhelin on tulevaisuudessa henkilökohtainen luotettu laite.
Olennaiset uudet elementit matkapuhelimessa ovat lyhyen kantaman radio ja mahdollisuus ladata tilanteen mukaan uusia sovelluksia ja päivittää käyttöliittymää verkon kautta. Bluetooth on jo integroitunut puhelimeen ja Java-sovelluksia voidaan ladata mobiiliverkon kautta. Läsnä-älyyn liittyvät RFID-tunnisteet ja lyhyen kantaman radiot vaativat vielä lisätoiminnallisuutta puhelimeen.
Suurin osa läsnä-älyn informaatiosta on pienimuotoista. Lähetin taidemuseon taulussa tai bussipysäkin mainoksessa kertoo ainoastaan olennaisimman sekä antaa verkko-osoitteen, josta haluttaessa voidaan hakea lisää informaatiota. Antureiden informaatio on samankaltaista, puhelin voi kerätä informaatiota antureilta lähiympäristöstä.
Mielenkiintoisia mahdollisuuksia voi syntyä, jos useat matkapuhelimet lukevat antureiden arvoja ympäristöstään ja verkkosovellus yhdistää niiden kaikkien informaation. Esimerkiksi anturit autossa mittaavat nopeutta, sadetta ja paikkaa, yhdistämällä tiellä liikkuvien autojen informaatio voidaan käyttäjälle palauttaa informaatiota liikenteen tilasta.
Lyhyen kantaman kommunikaatioon liittyy myös suuria haasteita. Informaation määrä, jonka päätelaite näkee on valtava. Esimerkiksi ostoskeskuksessa käyttäjän on pystyttävä löytämään tietotulvasta itseään kiinnostava informaatio. Radion lyhyt kantama auttaa tehokkaasti tiedon suodattamisessa, mutta ei kuitenkaan ratkaise asiaa. Puhelimeen tarvitaan tehokkaita sovelluksia, jotta haluttu informaatio voidaan suodattaa esille.
Haasteita protokolla- ja piirisuunnittelulle
Radioratkaisun on oltava mukautettavissa monien eri laitteiden ja käyttötarkoitusten asettamiin erilaisiin vaatimuksiin. Toiminta nappipariston varassa on edellytyksenä monilla langattomilla sensoreilla ja rannetietokoneilla, mutta matkapuhelimessa tilanne on toinen. Kustannusmielessä radion tulisi olla mahdollisimman halpa, mutta kustannusoptimoinnin lähtökohdat ovat laitteesta riippuen kuitenkin hyvin erilaiset.
Sensoreissa pelkistettynä lähtökohtana on suunnitella mahdollisimman halpa siihen liitettävä radiomoduuli. Matkapuhelimissa on jo muita radiorajapintoja, joten hintaoptimoinnin lähtökohtana on uudelleenkäyttää mahdollisimman paljon jo muutenkin olemassa olevia radioratkaisuja. Kun vielä vaatimuksena on saada aikaan langaton linkki myös sensorin ja matkapuhelimen välille, on suunnittelussa yritettävä löytää kaupallisesti menestyksellinen ja kestävä tasapaino eri vaatimusten kesken.
Verrattaessa tarvittavia bittinopeuksia olemassa olevat IrDA- ja RFID-ratkaisut ovat riittäviä, kun taas Bluetoothin mahdollistamille bittinopeuksille ei ole tarvetta. Sovellusten tarvitsemien linkkietäisyyksien kannalta on pelkän fyysisen etäisyyden lisäksi ajateltava myös suunnattavuutta.
Viime aikoina RFID-teknologiaan perustuvien kommunikaatioratkaisujen linkkietäisyydet ovat kasvaneet, mutta protokollamielessä on muistettava, että RFID:t on suunniteltu tilanteisiin, joissa yhden lukijan linkkietäisyydellä on vain yksi luettava RFID. Kaksisuuntaisen liikenteen tarve ei puolla passiivista RFID-teknologiaa.
Matkapuhelimet ja rannetietokoneet ovat radiolaiteita, joiden käyttöliittymään ihminen on fyysisesti kosketuksissa. Lisäksi on paljon radiolaitteita, esimerkiksi langattomat sensorit, jotka välittävät ja saavat tietoa matkapuhelimista ja rannetietokoneista.
Varteenotettavin tekninen lähestymistapa on ottaa Bluetooth lähtökohdaksi ja sopeuttaa sitä paremmin anturisovelluksiin sopivaksi. Peruslähtökohta on määritellä kaksi radioluokkaa: stand-alone ja dual-mode. Stand-alone-laitteella tarkoitetaan sensoreihin kiinnitettävää radiota. Dual-mode-laitteella tarkoitetaan matkapuhelimiin integroitavaa laitetta, jossa on sekä standardi Bluetooth että WIRSU-laajennus, joka mahdollistaa linkin myös stand-alone -radioiden kanssa.
Seuraavaksi tulee vaativuusmääritelmien mukaan analysoida kuinka stand-alone-laitteiden tehonkulutusta ja hintaa voidaan pienentää verrattuna Bluetoothiin, nostamatta Dual-mode-laitteen hintaa verrattuna Bluetooth moduuliin.
Radiosuunnittelun ensimmäinen päähaaste on määritellä stand -alone-laitteille sovelias modulaatiomenetelmä. Menetelmän tulee oleellisesti pienentää stand-alone-laitteiden vastaanottotilan virrankulutusta. Reunaehtona on kuitenkin, että dual-mode-laitteessa voidaan edelleen käyttää Bluetoothin analogiaosia sellaisinaan.
Toinen päähaaste on rajoittaa lähetystehoa ja helpottaa käytännön lineaarisuusvaatimuksia, jotta myös lähetystilan virrankulutus lasketaan nappiparistoille sopimaksi.
Kolmantena päähaasteena on toteuttaa siirtokerroksen protokollat epäsymmetrisesti siten, että stand-alone -laitteen idle-mode-tehonkulutusta aggressiivisesti minimoidaan ja että dual-mode laitteessa esimerkiksi ajoitukset ovat yhteensopivat Bluetooth-protokollan kanssa.
Idle-mode -tehonkulutus on erityisen tärkeää MyEnvironment-laitteilla, joiden paristojen vaihtovälit tulee maksimoida. Jotta langattomat anturit tulisivat laajasti käytetyiksi, laitteiden pitää olla erittäin helppokäyttöisiä ja erityisesti luontaista luottamusta herättäviä. Turvallisuusmekanismien periaatteiden tulisi olla myös riittävän yksinkertaisia ymmärtää, jotta kuluttajat voisivat itsenäisesti arvioida turvallisuustarpeensa.
Tässä tapauksessa luotettavuus ei niinkään tarkoita laitteiden virheetöntä toimintaa, joka on itsestäänselvä vaatimus, vaan pikemminkin luottamuksellisuutta eli sitä, että kuluttajat eivät koe antureita yksityisyyttään rajoittavina tai loukkaavina.
Middleware- protokollaratkaisut
Nykyisten Internet-protokollien menestys perustuu pitkälti niiden helppokäyttöisyyteen ja siihen, että IP-verkko voidaan toteuttaa hierarkkisesti aliverkkoihin jaettuna. Sulautettujen, paikallisten järjestelmien kommunikointiratkaisuja kehitettäessä tarve erillisten, keskinäisessä yhteydessä olevien aliverkkojen suoraan yhteyteen on usein vähäistä.
Tämän vuoksi on ollut perusteltua suunnitella protokollaratkaisuja, jotka ovat erityisen soveltuvia yhden sulautetun aliverkon laitteiden väliseen yhteydenpitoon. Tällainen lähestymistapa yksinkertaistaa protokollapinoa. Kehitetyssä ratkaisussa sulautetut aliverkot voidaan tarvittaessa liittää erityisten proxy- tai gateway-ratkaisujen avulla myös reitittäviin IP-verkkoihin, ja yksittäisille antureille voidaan reitittää myös ulkoisen verkon IP-liikennettä.
Kehitetyssä nanoIP-protokollassa ei käytetä paikallisesti erillistä verkkokerroksen osoitteistusta vaan ainoastaan linkkikerroksen osoitteita, joiden oletetaan olevan kyseisen aliverkon alueella yksikäsitteisiä. Täten kehitetty protokollapino tarjoaa lähinnä siirtokerroksen ja sovelluskerroksen palveluja, verkkokerrosten palvelujen rajoittuessa siirtokerroksen protokollan identifiointiin.
Siirtokerroksessa nanoIP-pino jakaantuu kahteen protokollaan. Datagrammipohjaiseen kommunikointiin soveltuva nanoUDP tarjoaa kahden laitteen välisen yhteyden multipleksauksen porttinumeroiden avulla sekä fragmentoinnin datagrammeille, joiden pituus ylittää linkkikerroksen määräämän MTU:n.
Yhteyspohjaista kommunikointia varten nanoIP-pino tarjoaa vuopohjaisen nanoTCP-protokollan, joka lisää TCP:n tapaan yhteyteen luotettavuutta sekvenssi-/kuittausnumeroparilla. Toiminnaltaan nanoTCP vastaa pääpiirteissään TCP:tä eräin yksinkertaistuksin.
Siirtokerroksen protokollien lisäksi nanoIP-protokollapino tarjoaa eräitä sovelluskerroksen palveluita, kuten yksinkertaisen rajapinnan miniatyrisoidun nanoHTTP:n käyttöön. Internetissä käytössä oleviin HTTP-versioihin verrattuna nanoHTTP tarvitsee vähemmän prosessointitehoa, muistia ja tietoliikennekapasiteettia.
Vaatimukset radiototeutukselle
Järjestelmätasolta katsoen radio tulee olla jaettavissa lähetintä ja vastaanotinta pienempiin toiminnallisiin lohkoihin, joiden tehonsyöttö voidaan katkaista lohkon ollessa lepotilassa. Piiritoteutuksen näkökulmasta on merkille pantavaa, että analogiaosa dominoi tehonkulutusta radion ollessa aktiivisessa tilassa, kun taas lepotilassa tehoa kuluttavat pääasiassa digitaalirakenteet. Lyhyellä toimintajaksolla ja pitkällä lepoajalla pääosa tehosta kuluu digitaaliosissa, kun taas vastakkaisessa tapauksessa analogiaosien merkitys korostuu.
Radion tulisi olla hinnaltaan mahdollisimman edullinen, sillä pienien langattomien sensorien kustannusrakenne tuskin kestää kallista radiomoduulia. Käytännössä hinta määräytyy pitkälti sirun pinta-alan, käytettävän IC-prosessin ja vaadittavien ulkoisten komponenttien perusteella. Järjestelmää määriteltäessä olisikin pyrittävä edistämään ratkaisuja, jotka edesauttavat passiivisten komponenttien integrointia heikollakin IC-prosessilla. Yksinkertaiset radioarkkitehtuurit johtavat nekin usein pieneen sirupinta-alaan.
Siirtokerroksen protokollan toteutus mahdollisimman pitkälle ASIC-piirillä sulautetun prosessorin käytön sijasta pienentäisi kustannuksia. Protokollan digitaalilogiikkatoteutus johtaa yleensä myös tehonsäästöön. Lisäksi muistivaatimusten minimointia voidaan pitää hyvänä ohjenuorana radion protokollamäärittelyssä, koska muisti vaatii merkittävästi piiripinta-alaa.
Siirtokerros
Radiojärjestelmän laitteet eivät muodosta varsinaista verkkoa, ja siksi topologiaksi on valittu ad hoc Point-to-anyPoint. Laite voi muodostaa yhteyden minkä tahansa radiokantaman ulottuvissa olevan saman järjestelmän laitteen kanssa koska tahansa, mutta samanaikaisesti yhteys on olemassa vain yhteen laitteeseen. Valittua topologiaa voidaan laajentaa tarvittaessa myös tähtitopologiaksi.
Koko protokollasuunnittelun lähtökohtana on radiolinkin muodostavien laitteiden poikkeavat tehonkäyttömahdollisuudet. Tästä syystä laitteille on määritelty kaksi toimintatilaa eli ne voivat toimia joko palvelun mainostajina tai yhteyden muodostajina (connection initializer). Palvelun mainostajan mainostustaajuus (ts. toimintajakso) on skaalattavissa sovelluksen mukaan huomioiden, että laitteen keskimääräinen löytymisnopeus ja tehonkulutus ovat kääntäen verrannollisia. Sovelluksen tulee voida dynaamisesti säädellä keskimääräinen löytymisnopeutta.
Mainostuskanavalla sovelletaan CSMA-käytäntöä. Mainostava laite tutkii kanavan tilaa ennen lähetystään käyttäen hyväksi vastaanotetun tehon mittausta. Mainostajaan voi ottaa yhteyden vain välittömästi lähetyksen jälkeen.
Yhteyden muodostumisen tapahduttua varsinainen liikennöinti tapahtuu yhteyden muodostajan valitsemalla unicast-kanavalla, joita on kaikkiaan 24 kappaletta. Unicast-kanavat jaetaan aktiivisille yhteyksille FDMA-periaatetta noudattaen. Datasiirto kahden laitteen välillä käyttää kiertokyselyä (polling), mutta kanavan aktiivisuuden mittausta ei tehdä. Pakettipohjaisen siirron luotettavuus perustuu paketin CRC-koodaukseen ja stop-and-wait-uudelleenlähetysprotokollaan.
Radioratkaisussa suurin mahdollinen nopeus on 250 kilobittiä sekunnissa ja lähetettävä signaali on FSK-moduloitua liikennöinnin tapahtuessa 2,4 gigahertsin ISM-taajuuskaistalla. Kanavaväli on 3 megahertsiä.
FSK:n modulaatioindeksi on tarkoituksellisesti korkea ja pulssit suodatetaan Gaussin suodattimella. Modulaatiomenetelmä ei ole erityisen spektritehokas, mutta se tarjoaa merkittäviä etuja radioarkkitehtuurin kannalta.
Varsinaista virheenkorjauskoodausta ei käytetä, koska se ei käytännössä hyödytä sensorisovelluksia. Voimakkaan häiriön sattuessa samanaikaisesti samalle tai viereiselle kanavalle vahvakaan koodaus ei suojaa paketin dataa riittävässä määrin.
Kuvattu radiojärjestelmä pystyy suoraan käyttämään tavanomaisen Bluetooth-radion analogiaosia. Muutoksia tarvitaan digitaalisissa kantataajuusosissa erilaisen signaalin moduloinnin ja poikkeavan pakettirakenteen vuoksi. Teho- ja kustannusoptimoitu stand-alone -radiototeutus poikkeaa kuitenkin Bluetooth-radioarkkitehtuurista.
IC-teknologian haasteet
Edellä kuvatut sensorisovellukset vaativat kooltaan ja kustannuksiltaan minimoitua radioratkaisua stand-alone-laitteissa. Radiojärjestelmän vaatimukset onkin määritelty niin, että ne mahdollistavat yhden sirun radiototeutuksen vähäisin ulkoisin komponentein. Analogia- ja digitaaliosien integrointi samalle sirulle edellyttää paneutumista mahdollisiin piirin sisäisiin häiriöihin.
Yhden sirun toteutus vaatii myös IC-prosessin, joka on ominaisuuksiltaan ja suorituskyvyltään riittävä kummallekin osalle. Kun otetaan vielä huomioon kustannus- ja tehonkulutustavoitteet sekä pienistä paristoista saatavilla oleva käyttöjännitteet, kapean viivanleveyden ja matalan käyttöjännitteen perus-CMOS-prosessi on houkuttelevin vaihtoehto.
Koska digitaalilogiikassa teho on verrannollinen käyttöjännitteen neliöön, johtaa jännitteen pienentäminen olennaisesti pienempään tehonkulutukseen. Alhainen 1,0-1,5 voltin käyttöjännite tuo kuitenkin aivan omat haasteensa analogiapiirisuunnitteluun, sillä päällekkäisten transistorien määrä piiriratkaisuissa on hyvin rajoitettu ja 1/f-kohina aiheuttaa ongelmia sekä RF- että kantataajuuksilla. Lisäksi tehonkulutuksen minimoinnin kannalta sekä analogia- että digitaaliosan vuotovirrat lepotilassa vaativat huomiota.
Langattomien anturien demonstraatiot
WIRSU-projektissa toteutettavat demonstraatiot perustuvat sekä olemassa oleviin Bluetooth-ratkaisuihin, että WIRSU-radioratkaisuun. Demonstraatioiden tarkoituksena on tutkia ja verrata sekä Bluetoothin että WIRSU-radioratkaisun soveltuvuuksia hyvinkin erilaisten anturisovellusten langattomina yhteyksinä.
Projektin tavoitteena on myös demonstroida ad hoc -anturiverkkoja. Oulun yliopiston kehittämä nanoIP-protokolla on tarkoitus implementoida tehonkulutukselta minimoituun mikro-ohjainympäristöön. Tarkoituksena on löytää erittäin kompakti toteutus, joka sopii kustannusherkkiin sovelluksiin.
Aiheesta enemmän
Ashley, Stephen, Driving the Info Highway, Scientific American, October 2001.
Dertouzos, Michael L., The Future of Computing, Scientific American, August 1999.
IEEE Personal Communications, August 2001, Special Issue, An Overview of Pervasive Computing.
Weatherall, James, et al., Ubiquitous Networks and their Applications, IEEE Wireless Communications, February 2002.
Taustat
Kirjoittajat: Mauri Honkanen (mauri.honkanen@nokia.com), Antti Lappeteläinen (antti.lappetelainen@nokia.com) ja Tapani Ryhänen (tapani.ryhanen@nokia.com), Nokian tutkimuskeskus, Veikko Koivumaa (veikko.koivumaa@suunto.com), Suunto Oy, Petri Mähönen (pma@sun3.oulu.fi), Oulun yliopiston CWC-keskus, Heikki Turtiainen (heikki.turtiainen@vaisala.com), Vaisala Oy.
Yhteyshenkilö: Antti Lappeteläinen (antti.lappetelainen@nokia.com)
Tutkimus: WIRSU (Wireless Sensors for Ubiquitous Communication)
Yhteistyössä: Nokia, Oulun yliopisto, Suunto, TEKES, Teknillinen korkeakoulu ja Vaisala.
Teknologiaohjelma: ELMO