טכנולוגיה חכמה ליישומים לבית חכם

בתור ילד שגדל בבריטניה, תוכנית הטלוויזיה Tomorrow’s World הייתה צפיית חובה לכל מי שרצה להבין את החידושים בטכנולוגיה. בשנת 1989, כינס צוות התוכנית מומחים שיחזו כיצד ייראה ‘הבית של העתיד’ בשנת 2020. מדהים לגלות שמרבית התחזיות שלהם היו נכונות. באותם ימים, טלוויזיות, פטיפונים ומכשירי וידאו היו אוסף מסובך של כפתורים ומסכי LCD, בנפח שתפס שטח גדול בבית. באופן כללי, אפשר היה רק להדליק או לכבות חימום ותאורה, וכמעט שלא הייתה התייחסות להשפעה של הבית על הסביבה. אותם מומחים חזו את היעלמות הכפתור, את השליטה הקולית במדיה, את הגישה לספריות מוזיקה, את אספקת החשמל האלחוטית ואת מערכות החימום והתאורה שלומדות את ההעדפות שלנו.

בעשור החולף, הופיע מגוון רחב של מכשירים חכמים לבית, החל ממערכות שמע ואבטחה ועד לנורות תאורה חכמות ותרמוסטטים אלחוטיים. ההפעלה של עושר טכנולוגי זה מתאפשרת בזכות פתרונות של שליטה קולית, כמו Amazon Alexa ו-Google Home. עם זאת, עקב החשש לפרטיות בגלל שיתוף הקלטות שמע עם שרתי ענן, ישנו עניין גובר והולך בפתרונות Edge. למרבה המזל, המיקרו-בקרים רבי-העוצמה שקיימים כיום מסוגלים לשלב מספיק יכולת של למידת מכונה כדי להתמודד עם זיהוי של פקודות פשוטות, מבלי להישען על שירותי בינה מלאכותית (AI) מבוססי ענן.

שליטה קולית ב-Edge

סדרת XMC של המיקרו-בקרים מבית Infineon מוכרת לכול, ולוחות הפיתוח של החברה מיישמים את טביעת הרגל של המחברים מבית Arduino. יחד עם מאתר באגים משולב, זו דרך פשוטה לפיתוח יישומים ולשימוש במגוון הלוחות הזמינים של מגינים מבית Arduino. ערכת XMC 4700/4800 Lite Evaluation כוללת מעבד Arm® Cortex®-M4 רב-עוצמה המסוגל לפעול במהירות של ‎144 MHz עם ‎2 MB של זיכרון הבזק ו-‎352 kB של זיכרון RAM. את הקלטת הפקודות הקוליות אפשר להשאיר ל-S2GO MEMSMIC IM69D , גם הוא מבית Infineon – זהו לוח אב-טיפוס מסוג Shield2Go הכולל שני מיקרופונים מסוג MEMS (איור 1). תצורת סטריאו זו מציעה טווח דינמי של ‎105 dB ויחס אות לרעש (SNR) של ‎69 dB(A). השמע מתקבל באמצעות ממשק I2S או PDM (אפנון צפיפות פולסים). תמיכה בתוכנה כלולה בסביבת הפיתוח המשולבת (IDE) של Arduino, לצד דוגמאות.

יצירת קוד לזיהוי קולי מתאפשרת עם TensorFlow Lite. כלי זה עושה שימוש בעוצמה של AI בענן באמצעות TensorFlow, כדי לאמן מודל שבתורו נדחס לתוך ‘חוצץ שטוח’ לצורך פריסה במיקרו-בקרים. דוגמה לתוכנה פשוטה המשתמשת בשילוב זה של חומרה שמזהה את הפקודות yes ו-no זמינה ב-GitHub. ניתן לבנות את היישום בעזרת ה-IDE של Arduino או ה-DAVE IDE של Infineon.

איור 1: מיקרו-בקרים רבי-עוצמה, כמו ה-XMC4700 (משמאל) ניתנים לשילוב עם מיקרופונים מסוג MEMS (מימין) כדי ליישם בקרה קולית של AI בקצה.

יש פה מישהו?

כדי להדליק את האור ולהעלות את הטמפרטורה כבמטה קסם, הבית החכם אמור לזהות בהצלחה את נוכחותם של דייריו. אמנם חיישני תמונה CMOS בשילוב עם AI הם אפשרות, אבל נראה שהם יותר מדי מהונדסים. בעבר, לביצוע משימה זו, הציצו חיישני IR לתוך חדרים כמו עין אדומה שרואה הכול, אבל פתרונות כאלה הם מגושמים כשנעשה בהם שימוש עם עדשות Fresnel. יתרה מזו, הם מגיבים לקרינה אינפרא-אדומה של כל דרי הבית, כולל חיות המחמד!

חיישני זמן טיסה (ToF) משתמשים בפולסים קצרים של תאורת לייזר בשליטה גבוהה, ומודדים את הזמן שנדרש לפולס המשתקף לחזור לחיישן. מבחינות רבות, הם יכולים להיחשב כסוג של מכ”ם פוטוני. הודות לחידושים בטכנולוגיית המוליכים למחצה, והדרישה לחיישני מדידת מרחק ממוזערים, קיים בשוק מגוון רחב של חיישנים כאלה. מכיוון שהם פועלים בקצב של עד 160 דגימות בשנייה וללא חלקים מכניים או צורך בעדשות, ניתן להסתיר אותם ישירות במארז היישום.

עם גודל של 4.9 × 2.5 מ”מ וגובה של 1.56 מ”מ, חיישני הקרבה מדגם VL53L1C ToF מבית STMicroelectronics ניתנים להטמעה כמעט בכל יישום (איור 2). הם מציעים שדה ראייה (FOV) מרבי של 27° ומשתמשים בלייזר 940 מ”מ בלתי נראה (Class 1) על מנת לזהות אובייקטים במרחקים של עד 400 ס”מ. החיישן דוגם בקצב של ‎50 Hz, אם כי בהערת מוצר אחת של היישום קיים פירוט פעולה של ‎100 Hz בטווח מופחת של 1.3 מ’.

איור 2: חיישני זמן טיסה (ToF), כמו VL53L1X מבית STMicroelectronics, משתמשים בפולסים של לייזר כדי לבצע מדידות מרחק של עד 400 ס”מ.

ניתן גם להגדיר את התצורה של החיישן המקבל, הידוע כמערך SPAD, כך שאזור העניין (ROI) יוקטן. שימוש נאות באפשרות זו קיים ביישום ספירה, ומספק שני אזורי חישה מובחנים שיכולים לזהות אנשים שעוברים דרך פתח כניסה (איור 3). בזכות התגובה למדידות המרחק במקום לקרינת IR, חיישני ToF בפתחי כניסה מסוגלים גם להבדיל בין אנשים לבין חיות מחמד שמסתובבות בבית, ולהימנע מהפעלה שגויה של תכונות בבית החכם.

איור 3: חיישן ToF, המובנה בפתח כניסה, יכול לשמש עבור יישומים לספירת אנשים בעזרת אלגוריתם זיהוי פשוט זה. (מקור: STMicroelectronics)

גילוי העשן לפני האש

גלאי עשן מפחיתים ב-50% את הסיכון למוות משריפה בבית, והשימוש בהם נהיה נרחב ככל שטכנולוגיית Solid-State איפשרה להקטין את גודלם ומחירם בשנות השמונים. יישום חכם יכול לאותת על שריפה שמתחילה וגם להודיע כשיש צורך להחליף את הסוללה, שהיא אחת מהסיבות לכשלים של גלאי העשן. גלאי יינון, העושים שימוש ברדיו-איזוטופ אמריקיום-241, היו פופולריים בעבר, אבל במהלך השנים הועלו חששות באשר ליכולתם לזהות את השלב המוקדם של אש חנוקה בשריפה. כיום, החקיקה בכל העולם מעדיפה חיישנים אופטיים. בגלל שמדובר ביישום בטיחות, היצרנים מחויבים לעמוד במגוון דרישות של תקנים ברחבי העולם כדי להוציא מכשיר כזה לשוק. אך אלה שמעוניינים לפתח גלאי עשן חכם יכולים לקבל עזרה.

חברת Analog Devices, הידועה ביכולותיה האנלוגיות המתקדמות, מציעה מגוון רחב של פתרונות גלאי עשן סביב התכנון המוכן EVAL-CN0537-ARDZ (איור 4) עבור גלאי עשן בתקן UL-217. במרכזו נמצא החיישן האופטי המשולב ADPD188BI. החיישן, שהוא מערכת פוטומטרית מלאה, משתמש בשתי נורות LED פועמות הפועלות באורכי גל שונים במשבצות זמן עצמאיות. חלקיקים באוויר גורמים לפיזור לאחור שנלכד באמצעות פוטודטקטורים. השימוש בחיישנים אלה נעשה בשילוב עם תא עשן, שחברת Analog Devices מציעה גם אותו (ACCUMOLD 28800X). הוא מפחית את ההשפעה של תאורת הסביבה, מצמצם את היכולת של חרקים להפריע לקריאות, ומפשט את ההגדרה של סף גילוי העשן.

איור 4: התכנון המוכן EVAL-CN0537-ARDZ, הכולל תא עשן, יכול להוות את הבסיס לגלאי עשן חכם.

התעבות עלולה להוות בעיה בגלאי עשן, במיוחד כשהם מותקנים באזורים טרופיים שבהם קיימת לחות גבוהה. כדי למנוע זאת, התכנון המוכן משלב חיישן טמפרטורה ולחות יחד עם נגדי חימום. אף כי תכונה זו עשויה להפחית התעבות, קרוב לוודאי שהיא מתאימה יותר ליישומים קבועים מאשר לגלאים הפועלים על סוללה. לחיישן ADPD188BI, שמציע הן ממשק I2C והן ממשק SPI, נוסף מגוון רחב של חבילות נתונים ותוכנה. אלה מספקות כונן לחיישן, אלגוריתם לגילוי עשן, וחבילה של למעלה מ-1,000 קבוצות נתונים של עשן ואש שהופקו במעבדות מאושרות בתקן UL-217.

לאן הולכת האנרגיה?

לפי אחת התחזיות, בתים חכמים יספקו הפחתה בצריכת אנרגיה, באופן שיצמצם את השפעתם על הסביבה. עם זאת, קשה לתכנן שיפורים או לנטר שינוי אם לא מודדים כלום. אף כי בחלק מהבתים יש מכשירי מדידה חכמים, הם עדיין רחוקים מלהיות בשימוש אוניברסלי. התקנת מערכת לניטור אנרגיה משלכם נהיית פשוטה יותר עם פתרונות מכשירי מדידה של אנרגיה מדגם EMpro II (איור 5) מבית Phoenix Contact.

ניתן להעלות פרמטרי אנרגיה מרכזיים לשירותים מבוססי ענן, ולאפשר יישום של המחשת נתונים בלוחות מחוונים. מכשירי המדידה יכולים גם להעלות קריאות ל-Proficloud.io, לוח המחוונים מבוסס הענן של Phoenix Contact, ללא צורך בשערי IoT שחלק מהמוצרים משתמשים בהם. לחלופין, ניתן להשיג את הנתונים ישירות משרת האינטרנט המשולב באמצעות REST API. אפשרות זו מסתמכת על בקשות HTTP GET פשוטות ומספקת את הנתונים בתבנית JSON, שהיא קלה לפענוח בעזרת ספריות הזמינות בשפות תכנות רבות, כדוגמת פייתון.

איור 5: מגוון המכשירים החכמים למדידת אנרגיה מדגם EMpro משתפים נתוני צריכת אנרגיה עם הענן או עם יישום משלכם באמצעות REST API.

מכשירי מדידה כאלה יכולים לנטר את צריכת האנרגיה של כל הבית או של מכשירי חשמל נפרדים. מכשירי מדידה אלה, הניתנים להרכבה על מסילות DIN, מציעים גם יכולות רישום נתונים, והם זמינים בשילוב עם ממשקים, כולל EtherNet/IP,‏ PROFINET,‏ Modbus TCP ו-Modbus RTU. לאחר הגדרת התצורה של מכשיר מדידה אחד, ניתן לייצא את התצורה לשימוש במכשירי מדידה אחרים. מדידת האנרגיה מתבצעת באמצעות סלילי רוגובסקי (הזמינים במגוון גדלים) שניתן להתאים בקלות סביב כבלי אספקה ופסי צבירה, והם מפחיתים את הזמן הדרוש לחיווט במערכות קיימות.

האם הבית שלי יהיה חכם ממני?

אף כי התחזיות הטכנולוגיות של Tomorrow’s World מלפני שלושים שנה הן מדויקות להפתיע, כדאי לזכור גם עוד הערה שהושמעה – שלא יהיה בית חכם אחד, אלא מגוון בתים חכמים, עם תכונות חכמות ככל שנחפוץ, בכמות גדולה או קטנה. חלק מהתכונות החכמות, כגון שליטה קולית, הן יותר מותרוֹת מאשר צורך. אחרות, כגון מכשירי מדידה חכמים, עשויות להיחשב כמרכזיות בהעלאת המודעות לטביעת הרגל הפחמנית שלנו ויעודדו אותנו להשתפר. בלי קשר לתחושות האישיות של כל אחד ואחת כלפי טכנולוגיית הבית החכם, אני מקווה שהפתרונות שהוזכרו במאמר זה יעוררו רעיונות חכמים לקראת היישום הבא.


מאת סטיוארט קודינג, עבור Mouser Electronics

תגובות סגורות