Internetul lucrurilor (IoT) ne învăluie. Pentru inginerii de dezvoltare embedded, lansarea unui nou proiect IoT necesită o atenție strictă la mai mulți factori, cum ar fi consumul de putere, capabilitățile de detecție și conectivitatea wireless. Presiunile legate de timpul de lansare pe piață complică situația. Kiturile de dezvoltare IoT oferă o platformă de prototipare viabilă și convenabilă pe care să se bazeze un proiect. Cu toate acestea, capabilitățile kiturilor de dezvoltare IoT variază considerabil, astfel încât este necesară o atenție deosebită la cerințele aplicației, la caracteristicile și abilitățile kitului.
Epoca online
Nu există nicio îndoială că ne aflăm în era online. Dispozitivele conectate sunt peste tot în jurul nostru. Pe unele le purtăm, altele ne ajută să ne monitorizăm cu precizie consumul de energie electrică, iar altele ne anunță dacă un vizitator se află la ușa noastră. Pentru procesele de producție industrială, apariția Internetului industrial al lucrurilor (IIoT) transformă modul în care operează fabricile și contribuie la creșterea eficienței generale a echipamentelor. În doar un deceniu, am schimbat modul în care interacționăm și controlăm lumea din jurul nostru. Înainte ne minunam de cum ne descurcam fără telefoane mobile, acum ne-am obișnuit să accesăm instantaneu informații despre aspecte ale vieții și muncii noastre.
Figura 1: Kitul de dezvoltare IoT Microchip EV36W50A (© Microchip)
Și mașinile noastre se confruntă cu schimbări radicale, cu informații de ultimă oră despre fluxul de trafic pentru a ne avertiza cu privire la eventualele întârzieri care ne așteaptă. Echipamentele de monitorizare a sănătății conectate la internet permit pacienților să se odihnească în confortul locuinței lor și să fie siguri că personalul clinic îi monitorizează și este pregătit să intervină în cazul în care este necesară o intervenție.
IoT a fost adoptat rapid de industrie, apărând pe măsură ce inițiativele guvernamentale, cum ar fi Industrie 4.0, au determinat nevoia de automatizare, de îmbunătățire a eficienței proceselor și de simplificare a operațiunilor. O armată de senzori monitorizează și raportează acum starea fiecărei etape a unui proces, transmițând date către sistemul de control și analiză a automatizării.
Beneficiile implementărilor IoT/IIoT sunt considerabile, dar, din perspectiva ingineriei electronice, multe provocări sunt asociate cu dezvoltarea unui dispozitiv IoT.
Explorarea cerințelor unui dispozitiv IoT
Figura 2: Schema bloc funcțională a plăcii de dezvoltare Micro WFI32-IoT EV36W50A (© Microchip)
Aplicațiile IoT variază considerabil, dar un set de bază de cerințe funcționale rămâne același, de obicei, indiferent dacă proiectați un senzor de presiune pentru un proces industrial sau un senzor pentru detectarea gradului de ocupare a unei încăperi într-un birou.
Exercițiul inițial de investigare a situației pentru a stabili specificațiile tehnice de principiu pentru un nou dispozitiv IoT ar trebui să ia în considerare fiecare aspect evidențiat mai jos, deoarece acestea vor modela arhitectura funcțională și proiectarea acestuia.
Detecție: Senzorii detectează lumea din jurul nostru, de la temperatură la presiunea aerului și până la mișcările oamenilor. De exemplu, o cameră poate transmite date către o aplicație de învățare automată pentru detectarea obiectelor, confirmând că o etichetă a fost aplicată corect pe o sticlă. Mai multe decizii tehnice depind de ceea ce este detectat și de frecvența cu care se detectează. Costul, dimensiunea și complexitatea senzorilor sunt alte considerente. Un termistor utilizat pentru măsurarea temperaturii va necesita componente suplimentare pentru domeniul analogic și o anumită procesare software înainte de a fi convertit într-o formă digitală. Un alt factor este reprezentat de numărul de senzori necesari și de frecvența cu care aceștia ar trebui să fie interogați.
Figura 3: Kitul de dezvoltare pentru urmărirea activelor STEVAL-ASTRA1B (© ST)
Conectivitate: Cum va interacționa dispozitivul IoT cu un sistem de control gazdă? Este disponibilă o comunicație wireless fiabilă în fiecare scenariu de utilizare sau este preferabilă comunicația prin cablu? Tipul de senzor dictează, de asemenea, cât de multe date trebuie transferate și cât de des. Tehnologia wireless mesh ar putea oferi o legătură de comunicație mai robustă într-o implementare de mari dimensiuni, dar necesită ca toate dispozitivele IoT să funcționeze în acest mod. Pentru o comunicație fără fir, deciziile includ crearea unui design discret sau opțiunea pentru un modul omologat.
Sursa de alimentare: Care ar putea fi profilul probabil de consum de putere al dispozitivului vostru IoT? Unele aplicații, frecvențe de comunicație și protocoale wireless reprezintă o sarcină energetică substanțială care depășește capacitatea unei baterii mici. Pentru anumite scenarii de implementare, ar putea fi disponibilă o sursă de alimentare de la rețeaua electrică (linie)? O tendință recentă în materie de senzori IoT utilizează tehnologii de recoltare a energiei pentru a elimina complet bateria. În schimb, energia este colectată din surse de energie ambientală, cum ar fi energia solară, vibrațiile și căldura, pentru a încărca un supercapacitor.
Interfața cu utilizatorul: Dispozitivul IoT va necesita vreo interacțiune cu utilizatorul? Ce se întâmplă în timpul instalării și al conectării la sistemul gazdă dacă nu este în funcțiune? Este necesar un afișaj sau orice altă formă de indicație sau LED-uri de stare?
Aplicații de analiză și control în cloud: Prin natura IoT-ului, dispozitivele se conectează la un sistem gazdă de control. Metoda de conectivitate și protocoalele vor determina cerințele software ale senzorului și modul în care acesta interacționează cu gazda. Este necesară o legătură de date constantă pentru a transmite datele în flux sau acestea pot fi trimise la intervale regulate sub forma unui pachet?
Sugestii și sfaturi pentru selectarea kitului de dezvoltare IoT
Kiturile de dezvoltare oferă inginerilor de aplicații embedded o cale convenabilă și rapidă de a crea prototipuri pentru un proiect. În această secțiune a articolului, evidențiem unii dintre factorii pe care inginerii ar trebui să îi ia în considerare atunci când selectează un kit adecvat. Există o gamă largă de kituri de dezvoltare și de evaluare IoT disponibile de la principalii furnizori de microcontrolere, așa că cel mai bine este să luați o decizie în cunoștință de cauză pe baza cerințelor aplicației evidențiate mai sus. Mai jos veți găsi o listă cu câteva caracteristici pe care trebuie să le verificați atunci când selectați o platformă de kit de dezvoltare.
Sursă de alimentare
Cum este alimentată placa? Prin USB de la o stație de lucru gazdă? Prin baterie? Poate fi alimentată de la o sursă de alimentare prevăzută și are un PMIC pe care îl puteți accesa pentru a încerca alte surse de alimentare? Este posibil să se plaseze o sondă de curent în linie pentru a măsura consumul de putere în timp real cu scopul de a realiza profiluri? În caz afirmativ, include tot ce este pe placă și orice alte module suplimentare, senzori etc.?
Senzori
Este placa echipată cu tipurile de senzori pe care le va utiliza aplicația dumneavoastră?
Este posibil să adăugați senzori suplimentari? Fie prin intermediul unei conexiuni periferice, fie prin intermediul unui format add-on standard din industrie, cum ar fi mikroBUS Click? Ce interfețe periferice sunt disponibile pentru acces? I2C, UART, SPI, GPIO?
Au placa sau microcontrolerul un ADC pe care l-ați putea utiliza și sunt necesare componente suplimentare de condiționare a semnalului?
Conectivitate
Ce opțiuni de conectivitate cu fir / fără fir are placa? Ethernet, Wi-Fi, LoRa, LoRa, BLE, ISM etc.
Dacă nu există conectivitate pe placă, aceasta poate fi adăugată cu ușurință? Producătorul recomandă și susține un modul wireless adecvat sau este prezentă o opțiune de interfață terță parte (mikroBUS Click etc.)?
Este capabil firmware-ul plăcii să implementeze actualizări de firmware OTA (over-the-air)?
Resurse de calcul
Dispune placa de microcontrolerul pe care intenționați să îl utilizați? L-ați mai folosit înainte și aveți deja seturi de instrumente de dezvoltare adecvate? Sunt resursele de calcul ale plăcii suficient de potrivite pentru a rula aplicația IoT, protocoalele gazdă și orice stive de protocoale de conectivitate? În cazul în care microcontrolerul include un transceiver wireless, puteți controla independent modurile de veghe ale acestora pentru a economisi energie? Ce funcții de securitate încorporate are microcontrolerul și dacă sunt adecvate pentru a fi utilizate cu aplicația voastră?
Comenzi/control pentru utilizator
Este placa echipată cu butoane de utilizator, cursoare cu senzori tactili sau alte caracteristici hardware de control pentru utilizator? Este disponibil un display? Este acesta necesar în aplicația finală?
Există LED-uri de utilizator accesibile din codul vostru? Sunt destule disponibile sau puteți să le adăugați rapid folosind un port GPIO de rezervă?
Suport software
Care este lanțul de instrumente de dezvoltare recomandat pentru această placă? Îl aveți deja? Este inclus un pachet complet de suport pentru placă (BSP − Board Support Package)? Ce drivere, biblioteci și firmware suplimentare sunt necesare și sunt acestea scutite de drepturi de autor? Verificați cerințele de licențiere a firmware-ului și middleware-ului cu producătorul plăcii. Este livrată placa cu un demo preîncărcat în care sunt prezentate caracteristicile plăcii? Include comunicarea cu furnizorii de servicii populare, cum ar fi Microsoft Azure sau Amazon AWS? Sunt disponibile și alte exemple de demo și de cod pentru placă? Există un ecosistem de biblioteci și parteneri de dezvoltare?
Plăci de dezvoltare IoT
Placa de dezvoltare Microchip WFI32-IoT
Microchip WFI32, cod de referință EV36W50A, este o placă de dezvoltare IoT cuprinzătoare, complet integrată și autonomă (Figura 1).
WFI32-IoT integrează un modul wireless WFI32E01PC Wi-Fi 802.11 de la Microchip, bazat pe familia de microcontrolere PIC. Senzorii de pe placă includ un circuit integrat digital Microchip I2C pentru temperatură și un circuit integrat digital pentru lumină ambientală. Dezvoltatorii pot conecta senzori sau periferice suplimentare prin intermediul unui conector mikroBUS. Microcontrolerul wireless integrează și o antenă. Placa poate fi alimentată prin intermediul unei stații de lucru gazdă sau al unei baterii LiPo. Un PMIC încorporat oferă capabilități de încărcare a bateriei prin USB-ul gazdei.
Figura 4: Modulul de antenă de diversitate xG24-RB4188A de la Silicon Labs montat pe o placă de bază Wireless Kit Pro de la Silicon Labs (© Silicon Labs)
Figura 2 ilustrează schema bloc funcțională a plăcii WFI32-IoT și evidențiază componentele Microchip integrate pe placă.
Placa este preîncărcată cu o imagine demo OOP (Out-of-the-box) care citește senzorii de pe placă și trimite datele către cloud-ul Amazon AWS. Codul demo și instrucțiunile complete sunt disponibile într-un depozit GitHub.
Proiect de referință pentru urmărirea activelor cu conectivitate multiplă STEVAL ASTRA1B de la STMicroelectronics
Figura 3 prezintă kitul de dezvoltare și proiectul de referință STEVAL ASTRA1B. Proiectat special pentru realizarea de prototipuri și evaluarea aplicațiilor de urmărire a bunurilor, acesta integrează două module cu conectivitate wireless. Un microcontroler wireless STM32WB5MMG BLE/ZigBee de joasă putere și rază scurtă de acțiune la 2,4 GHz și un microcontroler wireless STM32WL55JC cu rază lungă de acțiune (sub-GHz) pentru comunicații LPWAN, cum ar fi LoRa.
Figura 5: Un exemplu de kituri de dezvoltare SEMTECH LR1120 (© SEMTECH)
STEVAL ASTRA1B include un set cuprinzător de senzori capabili să măsoare mai mulți parametri de mediu și de mișcare. Un modul GNSS furnizează date de poziționare a poziției în exterior. Alte caracteristici ale plăcii includ un element securizat STSAFE, o baterie de 480 mAh și un demo OOB constând într-un tablou de bord de urmărire a activelor și o aplicație pentru telefonul inteligent.
xG24-RB4188A de la Silicon Labs este un modul de antenă de diversitate de tip ‘plug-in’ pentru prototiparea aplicațiilor wireless de 2,4 GHz (figura 4). Acesta se conectează la placa wireless de start BRD4001 de la Silicon Labs. Modulul găzduiește un Soc (system-on-chip) EFR32 Wireless Gecko de la Silicon Labs, un switch RF, o rețea de potrivire și doi conectori de antenă SMA. Ieșirea RF de la EFR32 este de +20 dBm.
Kituri de dezvoltare SEMTECH LR1120
Pentru prototiparea aplicațiilor LoRa LPWAN bazate pe microcontrolerul wireless LR1120, SEMTECH oferă o gamă de kituri de dezvoltare LR1120, cum ar fi cel ilustrat în figura 5.
Kiturile sunt disponibile în variante regionale, în funcție de spectrul industrial, științific și medical (ISM) sub-GHz.
Figura 6: Mikroe Ultra-Low Press Click (© Mikroe)
LR1120 se potrivește aplicațiilor multiregionale de localizare a activelor, de management al inventarului și de prevenire a furturilor.
Abilitatea de a adăuga senzori sau periferice suplimentare la o placă de dezvoltare a fost evidențiată mai devreme în acest articol. După cum s-a menționat la detalierea plăcii Microchip, aceasta este echipată cu un soclu mikroBUS. Tehnologia MikroBUS, dezvoltată de Mikroe, a devenit rapid un standard industrial pe care mulți furnizori de semiconductori îl adoptă pentru plăcile lor de dezvoltare și evaluare. mikroBUS aduce conectivitatea serială SPI, UART și I2C împreună cu semnalele de alimentare, analogice și PWM într-un format compact. Mikroe a dezvoltat sute de plăci Click care utilizează acest factor de formă avantajos.
Un exemplu este placa Mikroe Ultra-Low Press Click. Proiectată pentru măsurători pneumatice de joasă presiune, aceasta găzduiește un senzor de presiune SM8436 de la TE Connectivity care comunică prin interfața I2C (Figura 6).
Mergând mai departe cu kitul vostru de dezvoltare IoT
Prototiparea unei aplicații IoT a devenit semnificativ mai ușoară datorită disponibilității plăcilor de dezvoltare. Acest scurt articol a evidențiat câteva întrebări pe care inginerii implicați în dezvoltarea de aplicații embedded ar trebui să le analizeze atunci când selectează o placă de dezvoltare adecvată. În plus față de subiectele menționate, vor exista și cele specifice aplicației dorite, de care trebuie să țineți cont.
Ce aveți de gând să dezvoltați?
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
