I beacon intelligenti sfruttano il System-on-Chip Bluetooth per l'apprendimento automatico

Oggi i cicli di sviluppo e di assistenza dei prodotti viaggiano alla velocità della luce. I prodotti embedded che rilevano i guasti software e hardware e danno informazioni sul comportamento degli utenti forniscono i dati necessari agli ingegneri per far funzionare e migliorare le apparecchiature.

Ma non tutte le apparecchiature industriali sono cablate per una facile connettività a supporto di questi prodotti embedded. Anche i prodotti progettati per l'Internet delle cose (IoT) possono avere problemi di connettività, dati da interferenze elettromagnetiche (EMI), larghezza di banda limitata o una lunghezza eccessiva dei cavi.

L'emergere della tecnologia System-on-Chip (SoC) abilitata al Bluetooth offre una connettività costante e tutta la potenza del microprocessore per supportare l'apprendimento automatico (ML) integrato. Questa combinazione di connettività e analisi intelligente è uno strumento prezioso per un ciclo di progettazione e assistenza proattivo, anziché reattivo.

La raccolta intelligente dei dati trasforma lo sviluppo e l'assistenza dei prodotti

Lo sviluppo e l'assistenza di un prodotto di successo richiedono dati sul suo utilizzo. I progettisti che non conoscono il modo in cui i clienti utilizzano un prodotto, le funzioni più usate, quelle superflue o quelle con bug, avranno difficoltà a migliorare il prodotto per rispondere ai desideri degli utenti. Allo stesso modo, il personale di assistenza non può risolvere adeguatamente i problemi senza conoscere il comportamento dell'utente, lo stato del sistema, le condizioni ambientali e altri dati chiave prima o durante il problema.

Un prodotto con connettività e analisi moderne integrate può rendere più efficaci sia l'iterazione del progetto sia l'assistenza. I prodotti embedded e i beacon intelligenti possono rilevare condizioni ambientali come la temperatura, l'umidità e la pressione atmosferica, oltre a rilevare l'accelerazione su più assi, la luce ambiente e i campi magnetici. Gli indicatori di data e ora di un clock in tempo reale (RTC) consentono di correlare i dati con altri eventi del sistema, utilizzando l'analisi integrata o trasmettendoli a un server cloud tramite Bluetooth.

Ad esempio, un beacon intelligente collegato a un sistema di movimento lineare in un ambiente industriale potrebbe rilevare che le vibrazioni aumentano quando l'umidità è elevata. I processori su scheda potrebbero quindi inviare un avviso ai manutentori per segnalare la necessità di una lubrificazione supplementare. Questo tipo di risoluzione proattiva dei problemi riduce i tempi di fermo delle apparecchiature e i costi di manutenzione.

I progettisti di prodotti possono anche utilizzare i dati ambientali e sulle vibrazioni registrati per migliorare le versioni future del sistema di movimento lineare. Ad esempio, potrebbero consigliare un lubrificante diverso dalla durata maggiore in condizioni di umidità o anche riprogettare il sistema di lubrificazione per proteggerlo meglio dagli agenti atmosferici.

Sfide e soluzioni per l'implementazione

Per sfruttare i vantaggi della raccolta dati avanzata in un ambiente IoT, gli ingegneri devono ottimizzare la raccolta e l'analisi dei dati. Qualsiasi trasferimento di informazioni al cloud per l'analisi ha una latenza intrinseca che riduce la sicurezza dei dati. I sistemi embedded e i beacon intelligenti risolvono questo problema incorporando capacità di intelligenza artificiale e di apprendimento automatico nelle unità stesse. Questi sistemi Edge IA e TinyML contengono modelli software ridimensionati che consentono ai processori di fare inferenze intelligenti basate sui dati ricevuti dal mondo reale.

Le funzionalità di ML possono essere semplici, come far combaciare i dati sulle vibrazioni, con i dati ambientali e l'indicatore di data e ora globale, ma anche abbastanza complesse da prevedere le esigenze di manutenzione in base alle tendenze. Che sia complesso o semplice, il modulo ML riceve ed elabora i dati in tempo reale senza utilizzare le risorse di rete, ottenendo così informazioni tempestive con un consumo energetico minimo.

Tuttavia, i beacon intelligenti e i sistemi embedded devono comunicare lo stato ad altri dispositivi o a un server tramite una rete. Molti sistemi legacy sono progettati per la connettività seriale cablata con protocolli come PROFIBUS, DeviceNet, CANOpen e Modbus RTU. Le apparecchiature più moderne si basano su protocolli a bassa latenza basati su Ethernet, come PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP o Ethernet POWERLINK. Tuttavia, sia la comunicazione seriale sia quella Ethernet richiedono l'uso di cavi per i dati e l'alimentazione in un ambiente di fabbrica, con le conseguenti problematiche legate alle EMI, al deterioramento del segnale su lunghe tratte di cavi e agli investimenti necessari per ridurre i rischi di inciampo e fornire percorsi sicuri per i veicoli a guida umana o autonoma.

La comunicazione a corto raggio in radiofrequenza (RF) con i protocolli Bluetooth supera molte di queste sfide. Alcune versioni di Bluetooth, come Bluetooth Low Energy (BLE), sono state pensate per trasmettere segnali forti fino a 150 m con l'energia disponibile da una batteria a bottone, eliminando la necessità di cavi di alimentazione e di dati.

Il segnale BLE viene emesso nella banda di 2,4 GHz che supporta anche alcune reti cellulari e Wi-Fi. Sebbene la banda condivisa possa causare interferenze di rete e ridurre l'integrità del segnale, è anche la banda più affidabile per superare gli ostacoli nella linea di vista, come pareti e apparecchiature. Per superare i problemi legati alla linea di vista e alle interferenze, molti sistemi BLE possono essere collegati in rete a maglie per utilizzare il protocollo Internet versione 6 (IPv6) con cui connettere i dispositivi BLE tra loro e al cloud (Figura 1). Gli hotspot Bluetooth posizionati strategicamente possono inoltre aumentare la potenza e l'integrità del segnale all'interno della rete a maglie.

Figura 1: I beacon intelligenti e altri dispositivi possono utilizzare Bluetooth per connettersi all'hotspot più vicino senza effettuare l'accoppiamento. Gli hotspot possono attivare reti a maglie Bluetooth o connettersi a servizi cloud tramite Wi-Fi. (Immagine per gentile concessione di Blecon LTD)

I beacon intelligenti coniugano analisi e connettività di rete

Con l'abbinamento di raccolta dati, motori di inferenza IA e ML e connettività di rete, i beacon intelligenti abilitati Bluetooth forniscono informazioni sul funzionamento dei prodotti, sul comportamento degli utenti e sulla manutenzione predittiva, anche su apparecchiature non progettate per sistemi embedded. Un esempio è il modello L02S-BCN di Blecon LTD (Figura 2).

Figura 2: I beacon intelligenti L02S-BCN sono dotati di connettività BLE, varie opzioni di rilevamento, LED ad alta visibilità e batteria sostituibile sul campo, il tutto in un involucro IP67. (Immagine per gentile concessione di Blecon LTD)

I beacon intelligenti L02S-BCN sono comandati dai SoC multiprotocollo serie nRF54L15 di Nordic Semiconductor (Figura 3). Questi chip combinano una radio multiprotocollo a 2,4 GHz che supporta i protocolli Bluetooth versione 5.4, IEEE 802.15.3-2020 e 2,4 GHz con una velocità di trasmissione dati fino a 4 Mbps con un processore ARM® Cortex®-M33 a 128 MHz con 265 kB di RAM. La memoria non volatile di 1,5 MB è in grado di archiviare le letture e le analisi del sensore in caso la connettività di rete non sia disponibile.

Figura 3: I SoC multiprotocollo serie nRF54L15 sono dotati di radio multifunzione, sicurezza PSA di livello 3, processore a 128 MHz con 256 kB di RAM e periferiche hardware e software che supportano IA e ML. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

La sicurezza integrata nel chip nRF54L15 è stata progettata per i sistemi IoT. Con isolamento TrustZone, protezione dai canali laterali e protocolli di rilevamento delle manomissioni, è certificato al livello 3 della Platform Security Architecture (PSA). Questi sistemi assicurano che i carichi dati utili trasmessi dai beacon L02S-BCN siano criptati per il trasporto sicuro e che le identità dei nodi di rete siano verificate dal cloud attraverso una comunicazione bidirezionale.

I chip nRF54L15 hanno anche periferiche integrate che consentono ai beacon intelligenti L02S-BCN di raccogliere, analizzare e condividere i dati dai sistemi IoT. Un convertitore analogico/digitale (ADC) a 14 bit traduce in dati digitali i segnali provenienti da sensori di temperatura, umidità, pressione atmosferica, accelerazione e fotosensibilità, mentre un RTC globale crea un'indicazione di data/ora per ogni lettura. Cinque interfacce seriali, tra cui interfacce periferiche seriali (SPI), interfacce 2-Wire (TWI) e ricetrasmettitori asincroni universali (UART), collegano i componenti di elaborazione e rilevamento.

Oltre a queste opzioni di sensori fisici, i beacon L02S-BCN fungono anche da dispositivi embedded, utilizzando il software Memfault pre-integrato su coprocessori RISC-V (Reduced Instruction Set Computing version five) a standard aperto per rilevare e segnalare al cloud eventi di crash, guasti software, stato della batteria e comportamento dell'utente. Memfault gestisce anche gli aggiornamenti via etere (OTA), quindi non è necessario richiamare i dispositivi distribuiti.

I beacon L02S-BCN dimostrano anche l'uso di Edge Impulse, una piattaforma Edge IA, per fornire apprendimento automatico senza utilizzare le risorse di rete. Edge IA elimina la latenza e consente ai beacon L02S-BCN di funzionare con batterie a bottone CR2477 da 1000 mAh, sostituibili sul campo. I beacon L02S-BCN, alti 69,9 mm, larghi 46,7 mm e spessi 18 mm, sono alloggiati in involucri con grado di protezione IP67 che escludono la polvere e resistono all'immersione in 1 metro d'acqua per un massimo di 30 minuti. I beacon possono essere montati sulle apparecchiature con biadesivo, viti o fascette.

Conclusione

I beacon Bluetooth intelligenti portano il rilevamento, la connettività, IA e ML nelle applicazioni industriali e per l'IoT. Alimentati da SoC come nRF54L15 di Nordic Semiconductor che supportano la raccolta dati, l'analisi a latenza zero e gli aggiornamenti OTA, i beacon intelligenti come L02S-BCN di Blecon superano le barriere della connettività per trasformare le apparecchiature distribuite nel settore industriale in prodotti embedded con capacità di ML.