IoT-Entwicklungskits sind eine praktikable Lösung, um Prototypen zu erstellen, die als Grundlage für Ihr Design dienen können. Da es jedoch eine Vielzahl von Kits gibt, sollten Sie die Anwendungsanforderungen, die Funktionen und die Möglichkeiten des Kits sorgfältig abwägen.
In diesem Artikel gehen wir auf einige Faktoren ein, die Sie bei der Auswahl eines IoT-Entwicklungskits für ein neues Design berücksichtigen sollten.
Das Zeitalter der Online-Vernetzung
. Zweifellos leben wir im Zeitalter der Online-Vernetzung. Vernetzte Geräte sind allgegenwärtig: Wir tragen sie, sie helfen uns, unseren Stromverbrauch präzise zu steuern, oder sie benachrichtigen uns über anstehenden Besuch. In der industriellen Fertigung revolutioniert das industrielle Internet der Dinge (IIoT) die Fabrikabläufe und trägt zu einer verbesserten Gesamtanlageneffektivität bei. Innerhalb nur eines Jahrzehnts haben wir die Art und Weise, wie wir mit der Welt interagieren und sie steuern, grundlegend verändert. Wir können uns ein Leben ohne unsere Mobiltelefone nicht mehr vorstellen und sind es gewohnt, in Echtzeit Informationen zu allen Aspekten des Lebens und der Arbeit zu erhalten.
Auch Autos erleben einen radikalen Wandel. So erhalten wir beispielsweise Warnmeldungen und aktuelle Verkehrsinformationen, die uns vor möglichen Staus warnen. Im Gesundheitswesen ermöglichen uns Überwachungsgeräte, beruhigt zu Hause zu bleiben, da wir wissen, dass Fachkräfte unsere Gesundheit im Blick haben und bei Bedarf eingreifen können.
Die Industrie hat das IoT dank öffentlicher Initiativen – wie Industrie 4.0 – schnell adaptiert, da diese den Bedarf an vereinfachten Abläufen, erhöhter Automatisierung und verbesserter Prozesseffizienz verstärkten. Aktuell überwachen zahlreiche Sensoren den Status aller Phasen, erstellen Berichte und senden Daten an das Analyse- und Steuerungssystem der Automatisierung.
IoT/IIdC-Systeme bieten viele Vorteile, doch für Elektronikingenieure liegen die meisten Herausforderungen in der Entwicklung von IoT-Geräten.
Anforderungen an IoT-Geräte:
IoT-Anwendungen gibt es in allen Formen und Größen, aber sie alle teilen dieselben grundlegenden Funktionen – sei es die Entwicklung eines Drucksensors für einen industriellen Prozess oder die Herstellung eines Präsenzmelders für ein Büro.
In der Vorstudienphase eines neuen IoT-Geräts, in der die wichtigsten technischen Spezifikationen festgelegt werden, sollten die folgenden Faktoren berücksichtigt werden, da sie das Design und die funktionale Architektur bestimmen.
Detektion: Sensoren erfassen Vorgänge in der Außenwelt, von Temperatur und Luftdruck bis hin zu Personenbewegungen. Beispielsweise könnte eine Kamera Daten an eine Machine-Learning-Anwendung senden, die Objekte erkennt, um zu überprüfen, ob ein Etikett korrekt auf einer Flasche angebracht ist. Verschiedene technische Entscheidungen hängen davon ab, was und wie häufig erfasst wird. Auch Kosten, Größe und Komplexität der Sensoren müssen berücksichtigt werden. Ein Thermistor zur Temperaturmessung benötigt zusätzliche Komponenten für die analoge Umgebung und eine Software zur Datenverarbeitung vor der Digitalisierung. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Anzahl der benötigten Sensoren und die Häufigkeit der Datenabfrage.
Die Konnektivität ist ebenfalls entscheidend: Wie interagiert das IoT-Gerät mit dem Hauptsteuerungssystem? Ist ein drahtloses Kommunikationssystem für alle Anwendungsfälle verfügbar oder ist eine kabelgebundene Lösung vorzuziehen? Der Sensortyp bestimmt zudem, wie viele Daten übertragen werden müssen und wie oft. Drahtlose Mesh-Technologie bietet in großen Installationen eine stabilere Kommunikationsverbindung, setzt aber voraus, dass alle IoT-Geräte drahtlos funktionieren. Bei der drahtlosen Kommunikation muss unter anderem entschieden werden, ob ein individuelles Design oder ein zertifiziertes Modul verwendet werden soll.
Stromversorgung: Welches Stromverbrauchsprofil hat das IoT-Gerät? Manche Anwendungen, Kommunikationsfrequenzen und Funkprotokolle verursachen einen erheblichen Stromverbrauch, den eine Batterie nicht bewältigen kann. In manchen Installationen ist ein Stromanschluss vorhanden. Ein aktueller Trend bei IoT-Sensoren ist die Nutzung von Energy-Harvesting-Technologien, um die Batterie komplett zu eliminieren: Die Energie wird aus Umgebungsenergiequellen wie Solarenergie, Vibrationen und Wärme gewonnen und zum Laden eines Superkondensators verwendet.
Benutzeroberfläche: Ist eine Benutzerinteraktion mit dem IoT-Gerät erforderlich? Was passiert bei der Installation und beim Anschluss an das Hauptsystem, wenn es nicht betriebsbereit ist? Wird ein Display oder eine Status-LED benötigt?
Cloudbasierte Steuerungs- und Analyseanwendungen: Im IoT sind Geräte immer mit einem zentralen Steuerungssystem verbunden. Die Verbindungsmethode und die Protokolle bestimmen die Softwareanforderungen des Sensors und seine Interaktion mit dem System. Ist eine permanente Datenverbindung für die Datenübertragung erforderlich oder können die Daten in regelmäßigen Abständen gebündelt übertragen werden?
Tipps zur Auswahl eines IoT-Entwicklungskits
: Entwicklungskits bieten Embedded-System-Ingenieuren eine schnelle und praktische Möglichkeit, Prototypen zu erstellen. In diesem Abschnitt stellen wir einige Faktoren vor, die Ingenieure bei der Auswahl des richtigen Kits berücksichtigen sollten. Führende Mikrocontroller-Hersteller bieten eine große Auswahl an IoT-Entwicklungs- und Evaluierungskits an. Daher ist es ratsam, gründlich zu recherchieren und die Entscheidung auf Grundlage der zuvor besprochenen Anwendungsanforderungen zu treffen. Nachfolgend finden Sie eine Liste der Merkmale, die Sie bei der Auswahl eines Entwicklungskits beachten sollten.
Stromversorgung:
• Wie wird die Platine mit Strom versorgt? Über eine USB-Verbindung von einem Host-Computer? Mit einer Batterie? Kann sie mit dem vorgesehenen Netzteil betrieben werden? Verfügt sie über einen PMIC, der für alternative Stromanschlüsse genutzt werden kann?
• Kann eine Stromsonde zur Echtzeitmessung des Stromverbrauchs und zur Erstellung von Leistungsprofilen angeschlossen werden? Falls ja, sind alle benötigten Komponenten, einschließlich zusätzlicher Module, Sensoren usw., auf der Platine integriert?
Sensoren:
• Verfügt die Platine über die in Ihrer Anwendung benötigten Sensoren?
• Können zusätzliche Sensoren über eine Peripherieschnittstelle oder ein Standard-Erweiterungsformat wie mikroBUS Click hinzugefügt werden?
• Welche Peripherieschnittstellen sind verfügbar (I2C, UART, SPI, GPIO)?
• Besitzt die Platine oder der Mikrocontroller einen ADC? Werden zusätzliche Komponenten zur Signalaufbereitung benötigt?
Konnektivität:
• Welche Konnektivitätsoptionen bietet die Platine (Wi-Fi, LoRa, BLE, ISM usw.)?
• Falls die Konnektivität nicht in die Platine integriert ist, lässt sie sich einfach nachrüsten? Gibt der Hersteller Empfehlungen oder Support für drahtlose Module? Ist eine Schnittstelle von Drittanbietern vorhanden (MikroBUS Click usw.)?
• Kann die Firmware der Platine drahtlos aktualisiert werden?
Rechenressourcen:
• Verfügt das Board über den gewünschten Mikrocontroller? Haben Sie diesen bereits verwendet? Sind die erforderlichen Entwicklungswerkzeuge vorhanden?
• Sind die Rechenressourcen des Boards ausreichend, um die IoT-Anwendung, die Kernsystemprotokolle und alle weiteren Verbindungsprotokolle auszuführen?
• Falls der Mikrocontroller über einen integrierten Funktransceiver verfügt: Lässt sich der Standby-Modus zur Energieeinsparung separat steuern?
• Welche integrierten Sicherheitsfunktionen bietet der Mikrocontroller? Sind diese für Ihre Anwendung geeignet?
Benutzersteuerung:
• Ist die Platine mit Tasten, Touch-Reglern oder anderen Hardwareoptionen zur Benutzersteuerung ausgestattet?
• Ist ein Display vorhanden? Wird eines für die endgültige Anwendung benötigt?
• Können Benutzer-LEDs über Ihren Code angesteuert werden? Sind genügend LEDs vorhanden? Können Sie bei Bedarf schnell weitere an einen ungenutzten GPIO-Port anschließen?
Software-Support:
• Welche Toolchain wird für dieses Board empfohlen? Ist sie verfügbar?
• Ist ein umfassendes Board Support Package (BSP) enthalten?
• Welche zusätzliche Firmware, Bibliotheken und Treiber werden benötigt? Sind diese kostenlos?
• Informationen zu den Lizenzbestimmungen für Firmware und Middleware erhalten Sie vom Board-Hersteller.
• Sind vorinstallierte Tests vorhanden, die die Funktionen des Boards demonstrieren? Unterstützt es die Kommunikation mit gängigen Dienstanbietern wie Microsoft Azure oder Amazon AWS?
• Sind weitere Beispielcodes oder Tests auf dem Board verfügbar? Gibt es ein Ökosystem an Bibliotheken und Entwicklungspartnern?
Beispiele für IoT-Entwicklungsboards
Microchip WFI32-IoT-Entwicklungsboard
Das Microchip WFI32 (Teilenummer EV36W50A) ist ein eigenständiges, All-in-One-IoT-Entwicklungsboard mit vollständiger Integration (Bild 1).
Abbildung 2 zeigt das Blockdiagramm des WFI32-IoT-Boards, auf dem einige integrierte Microchip-Komponenten zu sehen sind.
Abbildung 2: Blockdiagramm des Micro WFI32-IoT EV36W50A Entwicklungsboards (Quelle: Microchip).
EV36W50A (Quelle: Microchip).
Das WFI32-IoT integriert ein Microchip WFI32E01PC 802.11 Wi-Fi-Modul, das auf Mikrocontrollern der PIC-Familie basiert. Zu den integrierten Sensoren gehören eine digitale I2C-Temperaturschaltung und eine digitale Umgebungslichtschaltung von Microchip. Entwickler können über einen mikroBUS-Eingang weitere Sensoren oder Peripheriegeräte anschließen. Der drahtlose Mikrocontroller verfügt außerdem über eine integrierte Antenne. Die Stromversorgung des Boards erfolgt wahlweise über einen Host-Computer oder einen Lithium-Polymer-Akku. Ein integrierter PMIC ermöglicht das Laden des Akkus über USB vom Host-Computer.
Das Board wird mit einem vorinstallierten Test-Image geliefert, das Informationen von den integrierten Sensoren ausliest und die Daten an die Amazon AWS Cloud sendet. Beispielcode und ein vollständiger Befehlssatz sind in einem GitHub-Repository verfügbar.
Referenzdesign für die Anlagenverfolgung mit mehreren Konnektivitätsoptionen: STMicroelectronics STEVAL ASTRA1B
(Abbildung 3 zeigt das Referenzdesign und das Entwicklungskit).
Das STEVAL ASTRA1B wurde speziell für die Entwicklung und Evaluierung von Anwendungen zur Anlagenverfolgung konzipiert. Es integriert zwei drahtlose Verbindungsmodule: das STM32WB5MMG (ein 2,4-GHz-Mikrocontroller-Modul mit geringer Reichweite und niedrigem Stromverbrauch für BLE/ZigBee) und das STM32WL55JC (ein Mikrocontroller-Modul mit großer Reichweite und Sub-GHz-Frequenz für LPWAN-Kommunikation wie LoRa).
Abbildung 3: Das STEVAL-ASTRA1B-Entwicklungskit zur Anlagenverfolgung (Quelle: ST).
Das STEVAL ASTRA1B verfügt über eine umfassende Sensorausstattung zur Messung zahlreicher Umgebungs- und Bewegungsparameter. Ein GNSS-Modul liefert Positionsdaten für den Außenbereich. Die Platine ist außerdem mit einem STSAFE-Sicherheitselement, einem 480-mAh-Akku und einem vorkonfigurierten Test mit Bedienfeld für die Objektverfolgung und einer mobilen Anwendung ausgestattet.
Das Silicon Labs xG24-RB4188A ist ein Antennendiversitäts-Add-on für die Entwicklung von Prototypen für drahtlose 2,4-GHz-Anwendungen (Abbildung 4). Es wird an das Silicon Labs BRD4001 Wireless-Starterboard angeschlossen. Das Modul enthält einen Silicon Labs EFR32 Wireless Gecko System-on-a-Chip, einen HF-Schalter, ein adaptives Netzwerk und zwei SMA-Antennenanschlüsse. Die HF-Ausgangsleistung des EFR32 beträgt +20 dBm.
Abbildung4: Das Silicon Labs xG24-RB4188A Antennendiversitätsmodul ist auf einer Silicon Labs Wireless Kit Pro Hauptplatine montiert (Quelle: Silicon Labs).
SEMTECH LR1120 Entwicklungskits
Um Prototypen von LoRa LPWAN-Anwendungen auf Basis des drahtlosen Mikrocontrollers SEMTECH LR1120 zu erstellen, bietet SEMTECH eine Reihe von LR1120 Entwicklungskits an, wie beispielsweise das in Abbildung 5 dargestellte.
Abbildung 5: Beispiel eines SEMTECH LR1120 Entwicklungskits (Quelle: SEMTECH).
Die Kits sind in regionalen Varianten entsprechend dem Sub-GHz-Spektrum des Bandes für industrielle, wissenschaftliche und medizinische (ICM) Anwendungen erhältlich.
Das LR1120-Kit eignet sich für zahlreiche Anwendungen in verschiedenen Regionen, beispielsweise zur Diebstahlprävention, Bestandsverwaltung und Anlagenverfolgung.
Wir haben bereits die Möglichkeit der Erweiterung eines Entwicklungsboards um zusätzliche Sensoren oder Peripheriegeräte erörtert. Wie bereits erwähnt, verfügt das Microchip-Board über einen mikroBUS-Anschluss. Dieser von Mikroe entwickelte Anschluss hat sich schnell zum Industriestandard entwickelt und wird von vielen Halbleiterherstellern in ihre Evaluierungs- und Entwicklungsboards integriert. Der mikroBUS-Eingang bietet SPI-, UART- und I2C-Schnittstellen sowie Stromversorgungs-, Analog- und PWM-Signale – alles in einem kompakten Anschluss. Mikroe hat Hunderte von Click- , die diesen praktischen Formfaktor nutzen.
Ein Beispiel ist das Mikroe Ultra-Low Press Click, das für pneumatische Niederdruckmessungen konzipiert ist und über einen TE Connectivity SM8436-Drucksensor verfügt, der über die I2C-Schnittstelle kommuniziert (Abbildung 6).
Abbildung 6: Die Mikroe Ultra-Low Press Click-Platte (Quelle: Mikroe)
IoT-Entwicklungskits beschleunigen den Fortschritt.
Dank Entwicklungsboards lassen sich Prototypen für IoT-Anwendungen deutlich einfacher erstellen. In diesem kurzen Artikel haben wir einige Fragen aufgeworfen, die sich Embedded-Systems-Ingenieure bei der Auswahl eines geeigneten Entwicklungsboards stellen sollten. Die genannten Faktoren sind jedoch nicht die einzigen zu berücksichtigenden. Jede spezifische Anwendung hat ihre eigenen Anforderungen, die ebenfalls beachtet werden müssen.
Was wird er entwerfen?
