IoT

IoT i produkter til ekstreme miljøer

Af Anders P. Mynster

IoT-baserede produkter vil typisk blive benyttet i mange forskellige miljømæssige sammenhænge, hvilket man skal tage højde for på et meget tidligt tidspunkt i udviklingsfasen.

For at sikre fremtidig vækst og arbejdspladser skal den danske industri være i toppen for udvikling af robuste produkter, der er klar til at komme på tingenes Internet også kaldet IoT (Internet of Things). I den kontekst er det selvfølgelig vigtigt, at virksomhederne kan have overblik over trådløse teknologier såsom Wi-Fi, LoRa, RFID og IoT-A.

Samtidigt skal der også holdes styr på sensortyper, cloud-opkobling og potentielle dataanalysemodeller, men alt dette bliver i en anden artikel, for ofte er det vigtigt at starte oppefra og se på de overordnede linjer i et design.

IoT kræver robuste og pålidelige produkter

Denne artikel beskriver, hvad der skal holdes særligt øje med, når der udvikles produkter til IoT. For det første skal det stå helt klart, hvorfor IoT-konceptet kræver robuste og pålidelige produkter, og derefter skal det afklares og besluttes, hvilke tiltag, der skal til for at opnå dette. Produktrobusthed starter nemlig ikke ved, at man foretager en test, når udviklingen er færdig. Den skal ind allerede ved idéfasen, hvor man for eksempel kan benytte tidlig brugerinddragelse gennem test af interaktive mock-ups til at skrive retvisende kravspecifikationer.

Pervasiv automation

Der findes i dag et hav af teknologier og platforme, som kan hjælpe med at skaffe data fra et termometer til en cloud. De fleste kan også rimeligt let finde ud af, hvordan man laver dataanalyser i skyen på temperaturdata fra denne og andre sensorer. Den teknologi, der er nødvendig for IoT-koncepterne er i stor udstrækning tilstede.

For et samfund som Danmark kan dette for eksempel være gennem besparelser ved hjælp af automation. Vi har gennem årtier øget vores produktivitet gennem automation af fabrikker og produktionsanlæg, men det IoT kan tilbyde, er pervasiv automation. Altså en automation der udbreder sig i vores samfund og ikke er begrænset til en bestemt lokation.

Et godt eksempel på dette er skraldespanden Bigbelly til offentlige parker, der automatisk sender besked, når den skal tømmes. Derved kan der automatisk genereres optimale ruter for renovationsarbejderne med dertilhørende tids- og ressourcebesparelser. Udfordringen i denne automation er dog, at man skal kunne stole på IoT produktet, for at systemet kan fungere. Hvis en maskine kun virker halvdelen af tiden i en automatiseret fabrik, vil hele fabrikken gå i stå eller kompromittere kvaliteten af de produkter, der kommer ud. På samme måde vil et IoT-netværk ikke kunne levere den ønskede automationseffekt, hvis ikke de enkelte dele fungerer pålideligt.

Værdiskabelse

En af de udfordringer, vi ofte står overfor, er, hvordan der kan etableres kontakt mellem slutbrugeren og den udviklende virksomhed. Så banalt det end lyder, er input fra brugere et centralt punkt i moderne elektronikudvikling. Selv hvis der ikke er et brugerinterface på en lille sensor, kan den stadig godt sidde i vejen eller være æstetisk utiltalende. Derfor bliver den fjernet og kan derved ikke længere levere værdi. Ved at inddrage slutbrugere som del af processen allerede i de tidlige produktudviklingsfaser kan sådanne designfejl blive undgået. Det kan for eksempel ske gennem workshops eller test af interaktive mock-ups i den kontekst, som produktet i sidste ende skal anvendes i, så der foretages en kortlægning af brugernes hverdag og interaktion med produktet.

Derved dannes der viden hos den udviklende virksomhed omkring den kontekst, som produktet skal indgå i – en såkaldt kontekstvalidering, hvorved der svares på spørgsmålet: Hvilken service er det produktet skal levere?

For der er flere og flere, som fokuserer på at lave en service fremfor at lave et produkt. Det er stadig produktet, der kommer ud af fabrikken, men det er den service, produktet leverer, som skaber værdien og dermed indtjeningen i virksomheden.

Availability

Et centralt koncept, når man går fra produkter til services, er availability – eller på godt dansk, oppetid. Det vil sige, hvor stor en del af tiden er den pågældende service tilgængelig. Dette kan for IoT-systemer for eksempel være begrænset af en servers driftsstatus, om sensoren fungerer, om der er forbindelse mellem de to enheder, om de er i stand til at reetablere kontakten automatisk osv. Derfor er det vigtigt, at systemet har statusmonitorering. Hvis der ikke er sendt signaler fra en sensor (enten at skraldespanden er tom eller fuld), er der måske noget galt med sensoren, og den skal kontrolleres. Samtidigt er det essentielt at sikre, at robustheden i de enkelte dele er så høj som muligt. Hvis en sensor i skraldespanden fejlagtigt melder, at den skal tømmes, vil ruten for renovationsmedarbejderne ikke længere blive planlagt optimalt. En måde at sikre dette på er at evaluere indflydelsen af klimatiske, mekaniske og elektromagnetiske faktorer.

Klimatiske faktorer

En af de ting, der især har betydning ved introduktionen af IoT, er, at sensorer bliver brugt alle mulige og umulige steder. Dette betyder, at det klima, som elektronikken bliver udsat for, ofte er meget varierende. Det gælder både parametre som temperatur og fugt, men også om der er sved, kemikalier, salte eller svampesporer. Dette betyder noget, når man skal træffe valg omkring design af elektronikken.

For eksempel ved udskiftning fra glødetrådspærer til LED-belysning betyder det termiske design mere end det fugtmæssige design, hvis produktet skal anvendes indendørs. Hvis produktet derimod skal bruges udendørs, vil den reducerede effekt afsat i LED’erne resultere i, at der er koldere i lampen, og den nu kan påvirkes af fugt, som kan forårsage kortslutninger og derved fejl i lamperne. Det er derfor vigtigt at skaffe sig viden om mission profiling – altså profilen af hvilke klimatiske, mekaniske, EMC og andre påvirkninger, produktet bliver og kan blive udsat for. Udfordringen er blot, at fordelen ved IoT var den pervasive automation – altså allestedsnærværende. For at den kan være det, vil mange produkter både være inden- og udendørs, i sol og i sne, i laboratorier og i grisestalde.

Alt sammen vidt forskellige miljøer, der kræver forskellige designfokus. Til slut skal man være opmærksom på, at når et produkt bliver mobilt, kommer der ofte bratte skift i miljø, for eksempel fra kold bil til varm stue eller omvendt. Derfor er det relevant også at kigge på design til håndtering af termisk chok og kondensdannelse.

Mekaniske faktorer

En anden ting, der ændrer sig, er, at sensorer bliver brugt på alle mulige og umulige måder. Dermed bliver produktet udsat for slag og vibrationer, mens det måske bliver klemt og vredet. Det, at produkterne ikke længere sidder fast i et kabel, giver mobilitet og dermed også en ændret belastningsprofil rent mekanisk. En af de ting, der ofte sker, er, at produktet har større risiko for at blive tabt eller skubbet ud over en kant. Mange produkter bliver i dag slidt ned af at sidde det samme sted i 20 år med den samme lavfrekvente vibrationsmæssige påvirkning, men mobile produkter oplever ofte impulspåvirkninger, som også har et indhold af højere frekvenser med kortvarig, men høj amplitude. Netop for små sensorer og oscillatorer til radiokommunikation kan dette vise sig langt mere skadeligt end de normale lavfrekvente vibrationer. Der kan også være tale om, at fejlene bliver ’overstress’ fejl frem for ’wear out’ fejl, hvor produktet fejler første gang, det bliver tabt frem for efter flere års brug.

Elektromagnetiske faktorer

Først og fremmest er det vigtigt at forstå operationen i de fleste sensorer. Disse leverer normalt meget små elektriske signaler, det er ikke atypisk at se niveauer i størrelsen mikrovolt. Derfor skal signalerne forstærkes af et forstærkerkredsløb for at kunne bruges med en analog til digital konverter. Det betyder samtidigt, at eventuel elektromagnetisk støj bliver forstærket, og det er netop her, der ses rigtigt mange problemer med immunitet for produkter. De fleste IoT-produkter bliver i dag lavet trådløse. Dette skyldes, at det ofte er billigere at inkludere en trådløs chip, som kommunikerer i et licensfrit bånd, end det er at inkludere et 5 meter langt kabel, som skal tilsluttes nærmeste netværkssystem.

En af de udfordringer, det medfører, er, at sensorens elektronik kan blive forstyrret af den elektromagnetiske energi, som radioen skaber. Derved bliver der krav om, at sensoren kun må måle, når radioen er slukket. Introduktionen af radioen medfører desværre endnu et stort immunitetsproblem, nemlig radiomodtageren. En radiomodtager arbejder normalt med signaler ned til -120 dBm i følsomhed. Det vil sige bare én femtowatt (en milliontedel af en nanowatt). Sådanne små signaler er selvsagt lette at forstyrre. For støj, der ligger udenfor kommunikationsbåndet, kan filtre og godt RF-design sikre en vis immunitet, men for støj, der ligger i samme kommunikationsbånd, er der ofte ikke meget at gøre. Spread spectrum, diversitet og fejlrettende koder kan afhjælpe lidt, men man kommer ikke i nærheden af samme følsomhedsniveau, hvis der er forstyrrelser i samme bånd, som hvis der ikke er forstyrrelser.

Oftest vælges der en strategi, hvor man blot venter et par sekunder (eller et par dage i ekstreme tilfælde) med at sende data. Hvis dette ikke er en mulighed, kan der også anvendes parallelle kommunikationsfrekvenser, så der for eksempel benyttes både 868 MHz som primær kommunikation og et 433 MHz system eller GSM-system som backup.

En af de trends, der især er dominerende disse år, er low power wide area networks, som giver endnu et akronym til samlingen: LPWAN. Disse netværk er ofte baseret på meget smalbåndet kommunikation. Da smal kommunikationsbåndbredde fører til en lav bit rate, vil hver bit også blive længere. Da LPWAN-anlæg ofte bliver brugt på samme måde som basestationer til for eksempel mobiltelefon, vil der være det, som kaldes multi path propagation. Dette gør, at modtageren modtager signaler, der er reflekterede af bygninger og derved kan blive forsinkede og forskudte i tid i forhold til hinanden. Dette øger risikoen for inter symbol interferens – altså at det foregående symbol forstyrrer med det nuværende.

Standarder

Selvom IoT bliver udråbt som noget helt nyt, skal man stadig huske, at det bliver baseret på mange kendte teknologier. Dette betyder også, at der er masser af standarder, man kan støtte sig op ad. For eksempel kan man benytte standarder i IEC’s 60068-serie til miljøtest. Her er der for eksempel på den klimatiske side test af termisk chok med IEC 60068-2-14 og kondens med IEC 60068-2-30, samt på den mekaniske side droptest med IEC 60068-2-31 og bounce test med IEC60068-2-55. Til slut kan man kigge på test af immunitet ved brug af reverberation kammeret. Dette kan for eksempel gøres gennem IEC 61000-4-21.

Man kan derved se, at det ikke er alle tekniske udfordringer for IoT, der er nye, da der allerede er flere standarder, som kan anvendes for at sikre produkternes korrekte funktionalitet og derved understøtte den pervasive automation.

Mere info

For mere information kontakt Anders P. Mynster, seniorkonsulent hos DELTA, tlf. +45 72 19 44 25, apm@delta.dk.