Partio rakensi IoT verkon mittaamaan logistiikkaa ja kulutusta

Suomen partiolaiset on suomen suurin yhtenäinen nuorisojärjestö. Viime vuonna uusia liittyjiä oli yli 13 000 ja määrä on kasvussa. Vuosittain järjestetään piirileirejä ja kansainvälisiä  suurleirejä on noin kymmenen vuoden välein. Piirileirillä käy noin 3000-5000 partiolaista ja suurleireillä jopa yli 15 000. Kliffa 2018 leirillä oli kaikkiaan 5500 partiolaista ja kyläilypäivänä kävi noin 1500 vierasta.

Nykyaikainen leiri ei rakennu ilman infra-ratkaisuita. Tyypillisesti paikalle tuodaan sähköt ja painevesi, joka lämmitetään alueellisella ratkaisulla. Ruokahuolto toteutetaan suurkeittiö-tyyppisillä puolivalmisteilla, joiden kylmäketjusta huolehditaan usean kylmäkontin avulla  Tietoliikenneverkot ovat myös leiriläisten arkipäivää. Verkot palvelevat monissa käytännön tarpeissa aina some päivityksistä leirisairaalan tiedonsiirtotarpeisiin saakka.

IoT verkon kehittäminen lähti käytännön tarpeista. Allekirjoittanut oli tehnyt taksvärkkiä muutamalla aiemmalla leirillä paikallisliikenteen avant-kuskina, kuljettaen tavaraa paikasta toiseen. Logistiikan ohjauksen tehostaminen oli ajatuksissa kun kokonaisuutta lähdettiin ideoimaan. Melko nopeasti haluttiin mukaan myös kulutusmittausta, jotta olisi voitu hahmottaa kulutuksen painopisteet ja johtaa sekä ohjata kulutusta jo leirin aikana. Aiemmin kulutuksesta ei ollut kuin summittaisia tietoja.

IoT verkon runkoa pohdittaessa haettiin ja saatiin rahoitusta VM:n rahoittamalta kira-digi hankkeelta, joka tukee kiinteistö- ja rakennusalan nopeita innovaatioprojekteja. Tavoitteeksi asetettiin Kliffa 2018- leirin rakentamisen ja käytönaikaisen kuljetuksen tehostaminen ja hiilijalanjäljen laskenta. Kun osarahoitus oli varmistunut, ryhdyttiin hankkeeseen vapaaehtoisena ilmoittautuneen pestiryhmän kanssa suunnittelemaan tarkemmin kokonaisuutta. Työskentely tapahtui pienryhmissä tai omatoimisesti siten että tiedot tasattiin etäkokouksin muutaman kerran kuukaudessa. Slack oli pääasiallinen viestintäkanava kokousten välillä ja väline osoittautui tehokkaaksi ajasta ja paikasta riippumattomaan työskentelyyn. Ryhmänä kokoonnuttiin perinteisesti ainoastaan pari kertaa ennen varsinaista leiriä.

Hämeenlinnan Evolla sijaitsevan leirialueen fyysinen koko oli halkaisijaltaan noin 1,2 km ja maasto oli monimuotoista. Osa antureista oli tarkoitus sijoittaa liikkuvaan kalustoon, mikä asetti omat rajoituksensa. Suunnitteluvaiheessa mittauspisteiden määräksi tarkentui noin 120-150. Kustannustekijöiden kautta anturointia ryhdyttiin suunnittelemaan arduino pohjaisille esp32 sarjan mikrokontrollereille. Aluksi testissä oli myös esp8266 ja/12 konrollereita, mutta niiden liitäntä ja muu suorituskyky rajoitti käyttökohteita liiaksi, jolloin päädyttiin esp32 sarjaan. Mikrokontrolleri tarjoaa kehitysympäristön, jossa voidaan usein python pohjaisen ohjelmointikielen ja valmiiden kirjastojen avulla nopeasti ottaa käyttöön valmiita antureita. Piirilevyltä löytyy myös vakiona wi-fi antenni ja radio, jolloin kerätty data on helppoa syöttää eteenpäin.

Melko nopeasti tuli selväksi että runkoverkko ei voi kokonaisuudessaan perustua wi-fi liikenteeseen alueella olevien päätelaitteiden suuren määrän aiheuttaman epävarmuuden johdosta. Päätettiin ryhtyä kokeilemaan lora- teknologiaa tiedonsiirrossa. Muutamien vaiheiden kautta runkoyhteyden toteutusvälineeksi valikoitui Heltec 1278 ESP –  mikrokontrolleri, jonka avulla voidaan reitittää paikallista wifi liikennettä lora-radioverkon kautta eteenpäin. Suomessa lora- verkkoa voi käyttää 868 MHz taajuusalueella ja Heltecistä löytyi valmis kirjasto, jolla oli mahdollista asettaa liikenne sallittujen kanavien puitteisiin. Viestintävirasto julkaisee tarkemmin ohjeistusta taajuusalueiden käytöstä ja tarkistimme vielä ennen käyttöönottoa oikeat tulkinnat vapaiden taajuuksien käyttöön.

Vakioantennilla dataa saatiin kulkemaan Lora-verkossa ainoastaan muutamia kymmeniä metrejä. Kun antenniksi vaihdettiin ns. majavanhäntäantenni, tuplaantui kontrollerin hinta, mutta samalla saatiin kantavuutta noin 1,5 kilometriä, joka riitti hyvin leirin tarpeisiin, kun käytännössä tarvittiin vain 600 m säteen verran matkaa vastaanottimen ollessa suunnilleen leirin keskipisteessä.

Vastaanotin reititti lora – sanomat wifi – verkon kautta Raspberry Pi alustalla olevaan RabbitMQ vaihteeseen, joka lähetti ehjät sanomat edelleen Azureen, Elastic palveluun ja paikalliseen muistiin. Azuressa data otettiin vastaan ja ehjät sanomat tallennettiin kahteen table storageen, josta raportit luettiin. Raportointi tehtiin pääosin kumppanimme Innofactorin toimesta ms Power BI toteutuksena. Teimme  lisäksi omia elastic näkymiä lähinnä reaaliaikaisen logistiikan seurannan mahdollistamiseksi.

Miten mitattiin?

Lämpötilaa mittasimme HTU-21D piirillä, joka valikoitui laajan lämpötila-alueensa johdosta yleiskäyttöiseksi mittariksi. Lämpötilaskaala oli -40..+125 astetta, jolloin sama anturi kävi saunaan ja kylmäkonttiin. Mittapäät lakattiin ja johdotus tehtiin suoraan Heltec – kontrolleriin, jolloin mittayksikkö lähetti datan lora wan verkkoon. Samaan koteloon pakattiin myös GPS anturi paikkatiedon välittämiseksi.

Paikkatiedon mittaamiseen käytimme neo6m tyyppistä anturia, joka oli suoraan heltec mikrokontrollerissa johdotettuna. anturissa oli oma gps antenni, joka tuotiin asennuskotelon ulkopuolelle. GPS sijainnin paikantaminen otti ensikertaisessa käynnistymisessä aikaa jopa kymmeniä minuutteja. Paristovarmennus auttoi ensikerran jälkeen, mutta joka tapauksessa viivettä  paikannuksessa oli startin yhteydessä vähintään puoli minuuttia. Tämä hankaloitti akkukäyttöä esim. mönkijöissä ja lähdön dataa menetettiin.

Kaukoliikenteen seurantaan saimme Yepzon seurantalaitteita, jooita käytettiin oman mobiililiittymänsä kautta. Aika ei riittänyt Yepzonin paikkatiedon siirtämiseen yleiseen datavarastoon, jolloin kaukoliikenteen matkat jäivät keräämättä. Ajojärjestäjät pystyivät kuitenkin hyödyntämään kaukoliikenteen paikkatietoa kuljetusten suunnittelussa ja johtamisessa. Kaukoliikenteessä oli ajankohdasta riippuen 6-10 ajoneuvoa.

Käymälöiden eli bajamajojen käyttö- ja täyttöasteen mittausta suunnittelimme monella tavalla. Aluksi esillä olleet paineanturit hylättiin ylläpidon ja asentamisen haasteiden johdosta. Laser-tyyppistä anturia kokeiltiin tuuletusputken kautta, mutta kontrollerit eivät olleet riittävän nopeita mittauksiin ja lopulta päädyttiin ultraääni-tyyppiseen HC-SR04 anturiin, joka laskettiin kontrollerin kanssa tuuletusputkeen. Kontrolleri sai virransyötön usb johdon kautta ja liikenne hoidettiin wifi verkolla lora reitittimeen, joka välitti tiedon eteenpäin. Ultraäänianturi ei toimi luotettavasti 3,3 voltin jännitteellä, mutta onneksi ESP32 tarjosi dokumentoimattoman 5 v lähdön ollessaan usb syötön perässä.

Vesimittareita saimme kolmelta eri valmistajalta. Mittareissa oli varhaisen kehitysvaiheen lora-hatut ja vaihtelevat ohjeistukset pay-loadille, eli sanomarakenteelle. Vesimittarit siirsimme kaupallisen lora-xG reitittimen kautta julkiseen verkkoon ja edelleen samaan Azure-pilveen muun datan kanssa. Azuressa base64 – tyyppinen sanoma purettiin ja talletettiin sanomana tablestorageen.

Ennen leiriä anturiverkkoa pöytätestattiin monipuolisesti. Osa antureista oli viikon  sääkaapissa, jotta voitiin ennakoida käytettävyys äärimmäisissä oloissa bajamajassa. Verkkoa käytettiin kuormitettuna jotta saataisiin kokemusta törmäyksistä ja pakettihäviöistä. Lopulta frekvenssi ja antureiden määrä ei edellyttänyt lähetysten optimointia. Gps lähetti 15s välein ja muut anturit 1-60 kertaa tunnissa.

Mitä opittiin:

Erityisesti leiriä varten rakennettu Dataradio, eli Heltec 1278 piiriin perustuva lähetin/vastaanotin pari toimi hienosti, kunhan sen oli varustanut oikealla antennilla. Sähkön syötön hallinnassa ja mekaanisissa asennuksissa puolestaan hiukan myöhästyttiin ja osin epäonnistuttiin lähinnä koska täydellistä mekaanista kokonaisuutta ei ehditty testata ennen leiriä ja ratkaisut suunniteltiin osin vauhdissa. Ennen leiriä oltiin käsityksessä että mittauspisteisiin saataisiin pääosin kiinteät sähköt, jolloin antureiden kulutukseen ei kiinnitetty tarpeeksi huomiota.

Verkko keräsi dataa viikon verran ja erityisesti kaupalliset vesimittarit tuottivat datan katkottomasti. Partion toteuttamissa mittapisteissä katkoksia aiheuttivat erityisesti tyhjentyneet akut, joiden vaihtoväli oli etenkin gps anturoiduissa laitteissa melko tiheä. Kiinteän syötön varassa olleissa laitteissa ei ollut ongelmia. Azure toimi datavarastona elasticin tapaan eli luotettavasti ja katkottomasti. Täydellistä kulutusdataa ei saatu, mutta kokeilussa opittiin hyödyntämään ja tuottamaan mitattua tietoa dataverkon kautta ja oltiin lopulta erittäin lähellä onnistumista. Kokeilua on tarkoitus jatkaa tulevilla leireillä.

Kerätyn datan avulla on mahdollista päätellä kulutushuippujen tasot suhteutettuna leirin väkimäärään, mikä on sinänsä arvokasta tietoa tulevaisuutta silmällä pitäen. Saimme myös suuntaa-antavaa dataa saunojen käyttöasteesta, ajoneuvojen liikennemääristä ja kylmäketjun mittausmenettelyistä. Seuraavia leirejä ja käyttäjiä varten on valmiina data-radio, jolloin voidaan keskittyä itse mittausmenetelmien kehittämiseen ja akkukäyttöihin.

Käytimme verkon suunnitteluun, työstämiseen ja varsinaiseen mittausten toteuttamiseen noin 1000h aikaa. Materiaalien hankinnan ja kokeilevan testaamisen mahdollisti KiRa digin tuki, josta olemme kiitollisia samoin kuin IoT- säätiön antamasta tuesta ja Innofactorin toteuttamasta visualisoinnista ja raportointinäkymästä.  Pyrimme edistämään luodun ratkaisun käyttöä jakamalla tietoa toteutuksesta partion sisällä ja kira-digin kautta myös julkisesti.

Lisätietoja:

Artikkelikuva: Susanna Mikander

Janne Ollenberg on sähkö- ja automaatio sekä rakennustekniikkaan perhetynyt tietotekniikan ammattilainen joka avustaa yleishyödyllisiä yhteisöjä vapaa-ajallaan pro-bono.

Ilmiöt, IOT, Robotiikka

, , , , ,