Insinööri (AMK) Mika Turska ja Insinööri (AMK) Jessé Forest työskentelevät asiantuntijoina Lapin ammattikorkeakoulun Uudistuva teollisuus -osaamisryhmässä.

Käly-hankkeessa oli yhdeksi selkeäksi toimenpiteeksi määritelty LoRaWAN tekniikan testaaminen. LoRaWAN tarkoittaa tiedonsiirtoteknologiaa ja sen tarkoitus on siirtää pieniä datamääriä nopeasti käyttäen vain hyvin vähän energiaa. Lyhenne tulee sanoista ”Long Range Wide Area Network.”

Koska aina ei kannata, eikä tarvitse lähteä kauas etsimään testiympäristöä, niin päätimme toteuttaa Kemin Kampuksen ruokalaan henkilökunnan juomien taukokahvien määrää seuraavan kahvilaskurin. Kälyn tiimistä löytyi jo valmiiksi kovaa osaamista tällaisen laitteen tekniseen toteutukseen, mutta samalla se oli hyvä paikka koko hanketiimille tutustua ja oppia miten LoRa-tekniikkaa voidaan hyödyntää ja mitä kaikkea pitää osata ottaa huomioon tällaisessa kokonaisuudessa.

Marraskuun lopulla 2024 kaikki oli valmista kahvilaskurin osalta ja innovaatiomme saatiin testiin. Tarkoitus oli yksinkertainen – seurata kahvin kulutusta automaattisesti, kokeilla LoRa teknologian toimivuutta ja vähentää manuaalista kirjaamista. Aluksi mentiin vanhalla tutulla paperilapulla laskurin rinnalla, mutta joulukuun alussa uskallettiin luottaa täysin uuteen laitteeseen.

Alkukankeutta ja teknisiä vastoinkäymisiä

Heti joulukuun ensimmäisinä päivinä ilmeni haasteita. Aamun ensimmäiset kahvikupit eivät tahtoneet lähteä Digitan verkon yli, ja laite vaati välillä uudelleenkäynnistystä. Erityisesti havaittiin, että käynnistys oli hidas (radiota käynnisteltiin jopa 15 minuuttia) ja samaan aikaan näyttö alkoi osoittaa väsymisen merkkejä pienen aikaisemman kolhun takia.

Koska laitteen näyttö ei tuntunut kestävän kosketusta, suojattiin se varotoimenpiteenä 4 mm pleksilevyllä, joka leikattiin 3D-labrasta löytyvällä Beamon laserilla.

Kuva 1. Kahvilaskuri työssään

Mistä ongelmat johtuvat?

Vikoja alettiin analysoida. Antenninjohto saattoi olla viallinen, Digitan verkossa saattoi olla aamuisin ruuhkaa ja painonappi sai välillä kyytiä vähän liian ronskilla otteella. Ehkä ohjeistus kahvilaskurin käyttöön oli sittenkin puutteellinen? Näitten syitten takia alettiin pohtia uutta suuntaa ja kehityskaarta jo suuren suosion saavuttaneelle laskurille ja huomasimme ettei vanhaan paperilappuun ollut enää paluuta. Kahvilan henkilökuntakin antoi positiivista palautetta tästä innovaatiosta.

Aloimme miettimään WiFi-pohjaista laskuria, jossa ainakaan Digitan ongelmat eivät olisi enää pullonkaulana.

Laitteen kehitys jatkuu

Joulukuun alussa laskuri lähetettiin Rovaniemelle testiin ja ohjelmistopäivityksiin (kuva 2.). Helmikuun alkuun mennessä se oli toiminut kohtuullisen hyvin, vaikka satunnaisia lähetyshäiriöitä edelleen esiintyi. Tarkistimme Digitan laitteistonhallinnasta, että yhteydenottopyyntöjä oli hylätty runsaasti – viitteitä siitä, että alueella oli liikaa liikennettä tai kanavat täynnä. Tästä huolimatta testejä jatkettiin yhteistyössä ruokalan henkilökunnan kanssa. Kiitos kärsivällisyydestä.

Kuva 2. Kahvilaskurin ”sielu”.

Kahden kuukauden testijakson jälkeen voitiin todeta, että LoRa- tekniikka ei välttämättä ole paras ratkaisu tällaisessa sovelluksessa, jossa häiriötön ja luotettava tiedonsiirto on tärkeää.

Helmikuun lopulla 2025 Digitan verkossa oli jatkuvaa häiriötä, eikä tuloksia saatu verkon yli enää viikkoon edes kehitysalustoilla testatuilla laitteilla. Laskuri kyllä lähetti tiedot, mutta vastaus jäi tulematta.

WiFi kahvilaskurin ensimmäiset askeleet ja piirilevyn suunnittelu

Jo ensimmäisen LoRaWAN-kahvilaskurin prototyypin kehitysvaiheessa päätettiin ottaa askel taaksepäin ja arvioida ratkaisua uudelleen. Vaikka LoRaWAN-teknologian vahvuudet korostuvat erityisesti ympäristöissä, joissa ei ole valmista langatonta infrastruktuuria ja joissa halutaan siirtää pieniä määriä dataa useilta laitteilta keskitetysti, ei se lopulta vastannut parhaiten kahvilaskurin käyttöympäristön tarpeita.

Toisaalta kahvilaskurin käyttöympäristöstä löytyy jo valmis verkko infrastruktuuri, joka sopii mainiosti laitteen käyttötarkoituksiin: Oppilaitoksen sisäinen verkko, sekä näihin kytketyt WiFi-tukiasemat.

Lähitulevaisuuteen oli myös kaavailtu oman LoRaWAN tukiaseman asennusta ja ylläpitämistä, mutta tämä suunnitelma ei tulisi materialisoitumaan vielä hetkeen, joten ensisijaisesti jatkoimme kahvilaskurin kehitystä WiFi-teknologialla.

Uudelle WiFi-versiolle kahvilaskurista tilattiin tätä varten teetetty piirilevy.

Kuva 3. Piirilevy.

Piirilevylle suunniteltiin myös kyky yhdistää langalliseen verkkoon, mutta WiFi todettiin tässä vaiheessa riittäväksi, joten tämä ominaisuus poistettiin lopullisesta toteutuksesta.

Kahvilaskurin uusi ilme ja 3D-tulostetun kotelon suunnittelu

Laitteen ulkomuotoa päätettiin myös säätää hieman uutta WiFi-versiota varten. Uusi piirilevy antoi hieman enemmän tilaa alkuperäiseen kotelointiin, joten kotelon mallia voitiin hieman ohentaa, sekä sisäänrakennettu antenni yksinkertaisti laitteen ulkonäköä mittavasti.

Kuva 4. CAD-malli uudesta kotelosta.

Koteloinnin sisäistä rakennetta muokattiin myös helpommin 3D tulostettavaksi. Kotelolle päätettiin myös tilata tämän käyttötarkoitusta korostavan väriset tulostusmateriaalit. Muilta osin kotelon ulkomuoto säilyi pitkälti samana. Painikkeen ja näytön sijainti oli alkuperäisessä mallissa jo varta vasten suunniteltu siten, että nappia painaessa käyttäjän käsi ei peitä näyttöä, kun yleensä käyttäjät pitävät kahvikuppia oikeassa kädessä, mikä jättää vasemman käden vapaaksi painamaan nappia. Tämän suunnittelupäätöksen osalta emme kuitenkaan ole odottaneet minkäänlaista palautetta, nappi on kuitenkin vain pelkkä nappi.

Sähköpostia keittiöön

Alkuperäisen kahvilaskurin toimintavaatimukset asetettiin jo varhain ennen ensimmäisen prototyypin laatimista. Jo projektin alusta haaveilimme palvelusta, joka lähettäisi kulutettujen kahvien määrän tarkasti halutulla aikavälillä sähköpostitse. Tätä varten tulisimme tarvitsemaan sähköpostipalvelimen, mutta päätimme aluksi laatia yksityisen verkkosivun, josta kahvin kulutuksen määrä voisi hakea tietyltä aikaväliltä.

Kuva 5. Kahvilista.

Alkuperäinen LoRa-WAN prototyyppi lähettäisi Digitan kautta tietoa tietokantaan, joka pistää merkille kahvien määrän sekä ajankohdan. Päätimme myös erittää erilliset kahvitauot yksinkertaisella tavalla, jossa kahvilaskurin ”seistyä” noin puoli tuntia ilman napin painalluksia, kahvilaskuri laskisi tämän yhdeksi kahvitauoksi ja välittäisi tämän tiedon tietokannalle, samalla nollaamalla tämän kahvitauon lukeman. Joissain tapauksissa jotkut ovat saattaneet nähdä tämän harvinaisen hetken, jonka aikana kahvilaskurin ruudulla vilahtaa teksti: ”ODOTA…”, jota seuraa kahvien lukeman nollaantuminen. Tästä tietää, että kahvilaskuri on päättänyt päättää yhden kahvitauon, ja aloittaa uuden.

Alussa välitimme viikoittaiset kahvilaskelmat keittiölle itse LoRaWAN prototyypin koeajan aikana. Tämän ohessa työstimme tämän automatisointia sähköpostipalvelulla, joka valmistui juuri ajallaan uutta kahvilaskurin WIFI-mallia varten. Tosin sähköpostipalvelussa on vielä hieman hiottavaa tämän luotettavan toimivuuden takaamiseksi myös oppilaitoksen sähköpostin ulkoisille vastaanottajille.

Mitä matkan varrella opittiin?

Kahvilaskurin kehitystyö osoitti, että yksinkertainenkin idea voi paljastaa monipuolisia oppeja, kun sitä lähestytään käytännön kokeilujen ja teknologian näkökulmasta. LoRaWAN-teknologia antoi tärkeää kokemusta langattomasta tiedonsiirrosta, mutta projektin edetessä WiFi osoittautui käyttöympäristöön sopivammaksi ratkaisuksi.

Samalla tutuksi tulivat piirilevysuunnittelu, 3D-mallinnus, datan keruu ja automaattinen raportointi. Vaikka matkan varrelle mahtui teknisiä haasteita, tuotti tämä kehitystyö arvokasta osaamista, uusia ideoita ja monta juotua kahvikupillista.