Intelligente Beacons nutzen Bluetooth-SoC für ML- Einblicke

Die Produktentwicklungs- und -unterstützungszyklen von heute sind schnell. Eingebettete Produkte, die Software- und Hardwarefehler erkennen und Einblicke in das Benutzerverhalten geben, liefern die Daten, die Ingenieure benötigen, um die Geräte in Betrieb zu halten und zu verbessern.

Aber nicht alle Industrieanlagen sind so verkabelt, dass sie diese eingebetteten Produkte problemlos unterstützen. Selbst bei Produkten, die für das Internet der Dinge (IoT) entwickelt wurden, können Verbindungsprobleme wie elektromagnetische Störungen (EMI), begrenzte Bandbreiten und lange Kabelwege auftreten.

Das Aufkommen der Bluetooth-fähigen SoC-Technologie ermöglicht Ingenieuren den Zugang zu nahtloser Vernetzung zusammen mit Mikroprozessorleistung, die das integrierte maschinelle Lernen (ML) unterstützt. Diese Verbindung von Vernetzung und intelligenter Analytik ist ein wertvolles Werkzeug für einen proaktiven statt reaktiven Design- und Supportzyklus.

Intelligente Datenerfassung verändert die Produktentwicklung und den Support

Erfolgreiche Produktentwicklung und -unterstützung erfordern Nutzungsdaten. Entwickler, die nicht wissen, wie die Kunden ein Produkt verwenden, einschließlich der Funktionen, auf die sie sich verlassen und die umständlich oder fehlerhaft sind, werden Schwierigkeiten haben, das Produkt so zu iterieren, dass die Benutzer ein Upgrade wünschen. Ebenso kann das Support-Personal Probleme nur dann angemessen beheben, wenn es das Benutzerverhalten, den Systemstatus, die Umgebungsbedingungen und andere wichtige Daten unmittelbar vor oder während des Problems kennt.

Ein Produkt mit moderner Onboard-Vernetzung und Analytik kann sowohl die Design-Iteration als auch den Support effektiver gestalten. Eingebettete Produkte und intelligente Beacons können Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck erkennen sowie Beschleunigung in mehreren Achsen, Umgebungslicht und Magnetfelder erfassen. Zeitstempel von einer Echtzeituhr (RTC) ermöglichen es, die Daten mit anderen Systemereignissen zu korrelieren, entweder mit Hilfe von Onboard-Analysen oder bei der Übertragung an einen Cloud-Server über Bluetooth.

Ein intelligenter Beacon, der an einem linearen Bewegungssystem in einer industriellen Umgebung angebracht ist, könnte zum Beispiel erkennen, dass die Vibrationen bei erhöhter Luftfeuchtigkeit zunehmen. On-Board-Prozessoren könnten dann eine Warnung an die Wartungstechniker senden, dass eine zusätzliche Schmierung erforderlich ist. Durch diese Art der proaktiven Fehlerbehebung werden Ausfallzeiten und Wartungskosten reduziert.

Produktentwickler können die aufgezeichneten Schwingungs- und Umgebungsdaten auch nutzen, um zukünftige Versionen des linearen Bewegungssystems zu verbessern. Sie könnten zum Beispiel ein anderes Schmiermittel empfehlen, das in feuchten Umgebungen länger hält. Möglicherweise wird auch das Schmiersystem überarbeitet, um es besser vor Witterungseinflüssen zu schützen.

Herausforderungen und Lösungen bei der Umsetzung

Um die Vorteile einer erweiterten Datenerfassung in einer IoT-Umgebung nutzen zu können, müssen Ingenieure die Datenerfassung und -analyse optimieren. Jede Übertragung von Informationen zur Analyse in die Cloud hat eine inhärente Latenzzeit und verringert die Datensicherheit. Eingebettete Systeme und intelligente Beacons wirken dem entgegen, indem sie KI- und ML-Funktionen in die Geräte selbst integrieren. Diese Edge-KI- und TinyML-Systeme enthalten skalierte Softwaremodelle, die es den Prozessoren ermöglichen, auf der Grundlage der empfangenen realen Daten intelligente Schlüsse zu ziehen.

Onboard-ML-Funktionen können so einfach sein wie der Abgleich von Vibrationsdaten, Umgebungsdaten und einem globalen Zeitstempel oder so komplex, dass sie den Wartungsbedarf auf der Grundlage von Datentrends vorhersagen. Ob komplex oder einfach, das ML-Modul empfängt und verarbeitet Daten in Echtzeit, ohne Netzwerkressourcen zu beanspruchen, was zu zeitnahen Erkenntnissen und minimalem Energieverbrauch führt.

Dennoch müssen intelligente Beacons und eingebettete Systeme ihren Status über ein Netzwerk an andere Geräte oder an einen Server übermitteln. Viele ältere Systeme sind für kabelgebundene serielle Verbindungen mit Protokollen wie PROFIBUS, DeviceNet, CANOpen und Modbus RTU ausgelegt. Modernere Geräte setzen auf Ethernet-basierte Protokolle mit geringer Latenz wie PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP oder Ethernet POWERLINK. Sowohl für die serielle als auch für die Ethernet-Kommunikation sind jedoch Kabel für die Daten- und Stromversorgung in den Fabrikhallen erforderlich, was mit den damit verbundenen Problemen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), der Signalverschlechterung bei langen Kabelstrecken und den erforderlichen Investitionen in die Anlagen zur Eindämmung von Stolpergefahren und zur Bereitstellung von Wegen für fahrende oder autonome Fahrzeuge verbunden ist.

Die Kurzstrecken-Funkkommunikation mit Bluetooth-Protokollen überwindet viele dieser Probleme. Einige Bluetooth-Varianten wie Bluetooth Low Energy (BLE) sind so konzipiert, dass sie mit der Energie einer Knopfbatterie starke Signale über eine Entfernung von bis zu 150 m senden können, so dass weder Strom- noch Datenkabel erforderlich sind.

Ein BLE-Signal läuft im 2,4-GHz-Band, das auch einige Mobilfunk- und Wi-Fi-Netzwerke unterstützt. Das gemeinsam genutzte Band kann zwar zu Netzstörungen und verminderter Signalintegrität führen, ist aber auch das zuverlässigste Band zur Überwindung von Hindernissen auf der Sichtlinie, wie z. B. Wände und Geräte. Zur Überwindung von Sichtlinien- und Interferenzproblemen können viele BLE-Systeme in ein Maschennetzwerk eingebunden werden, das das Internetprotokoll Version 6 (IPv6) nutzt, um BLE-Geräte untereinander und mit der Cloud zu verbinden (Abbildung 1). Strategisch platzierte Bluetooth-Hotspots können auch die Signalstärke und -integrität innerhalb des Maschennetzwerks erhöhen.

Abbildung 1: Intelligente Beacons und andere Geräte können über Bluetooth ohne Kopplung eine Verbindung zum nächstgelegenen Hotspot herstellen. Hotspots können Bluetooth-Maschennetzwerke aktivieren oder sich über Wi-Fi mit Cloud-Diensten verbinden. (Bildquelle: Blecon LTD)

Intelligente Beacons bringen Analytik und Vernetzung zusammen

Durch die Kombination von Datenerfassung, KI- und ML-Inferenz-Engines und Netzwerkverbindung bieten Bluetooth-fähige intelligente Beacons Einblicke in den Produktbetrieb, das Benutzerverhalten und die vorausschauende Wartung, selbst bei Geräten, die nicht für eingebettete Systeme ausgelegt sind. Ein Beispiel ist der L02S-BCN von Blecon LTD (Abbildung 2).

Abbildung 2: die intelligenten Beacons L02S-BCN verfügen über BLE-Vernetzung, mehrere Erfassungsoptionen, gut sichtbare LEDs und eine vor Ort austauschbare Batterie in einem IP67-Gehäuse. (Bildquelle: Blecon LTD)

Die intelligenten Beacons L02S-BCN werden von Multiprotokoll-SoCs der Serie nRF54L15 (Abbildung 3) von Nordic Semiconductor gesteuert. Diese Chips kombinieren ein Multiprotokoll-Funkgerät für 2,4 GHz, das Bluetooth Version 5.4, IEEE 802.15.3-2020 und 2,4-GHz-Protokolle bei Datenübertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 4 Mbit/s unterstützt, mit einem 128-MHz-Arm®-Cortex®-M33-Prozessor, der auf 265 KB RAM läuft. Der nichtflüchtige Speicher von 1,5 MB kann Sensormesswerte und Analysen speichern, wenn keine Netzwerkverbindung verfügbar ist.

Abbildung 3: Die Multiprotokoll-SoCs der Serie nRF54L15 verfügen über Multifunktions-Funkgeräte, PSA-Level-3-Sicherheit, einen 128-MHz-Prozessor mit 256 KB RAM sowie Hardware- und Software-Peripheriegeräte, die Edge-KI und ML unterstützen. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Der nRF54L15-Chip verfügt über integrierte Sicherheitsfunktionen für IoT-Systeme. Die TrustZone-Isolierung, der Schutz vor Seitenkanälen und die Protokolle zur Erkennung von Manipulationen bescheinigen ihm die Plattformsicherheitsarchitektur (PSA) Stufe 3. Diese Systeme stellen sicher, dass die von den L02S-BCN-Beacons übertragenen Daten für einen sicheren Transport verschlüsselt werden und dass die Identität der Netzknoten von der Cloud aus über eine Zwei-Wege-Kommunikation überprüft wird.

Die nRF54L15-Chips verfügen außerdem über integrierte Peripheriegeräte, die es den intelligenten Beacons L02S-BCN ermöglichen, Daten von IoT-Systemen zu sammeln, zu analysieren und zu teilen. Ein 14-Bit-Analog/Digital-Wandler (ADC) wandelt Signale von Temperatur-, Luftfeuchtigkeits-, Luftdruck-, Beschleunigungs- und lichtempfindlichen Sensoren in digitale Daten um, während eine globale RTC einen Zeitstempel für jeden Messwert erstellt. Fünf serielle Schnittstellen, darunter serielle Peripherieschnittstellen (SPIs), Zweidrahtschnittstellen (TWIs) und universelle asynchrone Empfänger/Sender (UARTs), verbinden Verarbeitungs- und Erfassungskomponenten.

Zusätzlich zu diesen physischen Sensoroptionen fungieren die Beacons L02S-BCN auch als eingebettete Geräte, die vorintegrierte Memfault-Software auf RISC-V-Coprozessoren (Reduced Instruction Set Computing Version 5, offener Standard) verwenden, um Abstürze, Softwarefehler, den Batteriestatus und das Benutzerverhalten zu erkennen und an die Cloud zu melden. Memfault verwaltet auch Over-the-Air(OTA)-Updates, so dass keine Rückrufe der eingesetzten Geräte erforderlich sind.

Die Beacons L02S-BCN demonstrieren auch den Einsatz von Edge Impulse, einer Edge-KI-Plattform, zur Bereitstellung von ML ohne Nutzung von Netzwerkressourcen. Edge-KI beseitigt die Latenzzeit und ermöglicht den Betrieb der L02S-BCN-Beacons mit CR2477-Knopfbatterien für 1000 mAh, die vor Ort ausgetauscht werden können. Die 69,9 mm hohen, 46,7 mm breiten und 18 mm dicken Beacons L02S-BCN haben ein IP67-zertifiziertes Gehäuse, das staubdicht ist und bis zu 30 Minuten in 1 m tiefes Wasser getaucht werden kann. Die Beacons können mit doppelseitigem Kleber, Schrauben oder Kabelbindern an Geräten befestigt werden.

Fazit

Intelligente Bluetooth-Beacons bringen Sensorik, Vernetzung, KI und ML in industrielle und IoT-Anwendungen. Angetrieben von SoCs wie dem nRF54L15 von Nordic Semiconductor, die Datenerfassung, latenzlose Analysen und OTA-Updates unterstützen, überwinden intelligente Beacons wie der L02S-BCN von Blecon Konnektivitätsbarrieren und verwandeln in der Industrie eingesetzte Geräte in eingebettete Produkte mit ML-Funktionen.