Комплекты для разработки IoT-приложений — это жизнеспособное и практичное решение для создания прототипов, на основе которых можно разрабатывать свои проекты. Однако существует широкий выбор таких комплектов, поэтому необходимо тщательно учитывать требования к приложению, характеристики комплекта и его возможности.
В этой статье мы обсудим некоторые факторы, которые следует учитывать при выборе комплекта для разработки IoT-приложений для нового проекта.
Эпоха онлайн-связи.
Нет сомнений: мы живем в эпоху онлайн-связи. Подключенные устройства повсюду: мы носим их, они помогают нам точно контролировать потребление электроэнергии или уведомляют нас о предстоящем визите. В промышленных производственных процессах промышленный интернет вещей (IIoT) совершает революцию в работе заводов и способствует повышению общей эффективности оборудования. Всего за десятилетие мы изменили то, как взаимодействуем с миром и управляем им. Мы не могли представить себе жизнь без мобильных телефонов, и теперь мы привыкли получать мгновенную информацию обо всех аспектах жизни и работы.
Автомобили также претерпевают радикальные изменения. Например, теперь мы получаем оповещения и актуальную информацию о дорожной ситуации, предупреждающую нас о возможных пробках. В сфере здравоохранения оборудование для мониторинга позволяет нам оставаться дома, зная, что специалисты следят за состоянием нашего здоровья и будут доступны, если потребуется вмешательство.
Промышленность быстро внедрила IoT благодаря государственным инициативам, таким как «Индустрия 4.0», которые стимулировали необходимость упрощения операций, повышения автоматизации и улучшения эффективности процессов. В настоящее время многочисленные датчики отслеживают состояние всех этапов, генерируют отчеты и передают данные в систему анализа и управления автоматизации.
Системы IoT/IIdC предлагают множество преимуществ, но для инженеров-электронщиков большинство проблем связано с разработкой IoT-устройства.
Требования к IoT-устройствам:
IoT-приложения бывают самых разных форм и размеров, но все они имеют один и тот же базовый набор функций, будь то разработка датчика давления для промышленного процесса или производство датчика присутствия для офиса.
На этапе предварительного исследования нового IoT-устройства, когда определены основные технические характеристики, следует учитывать следующие факторы, поскольку они определят дизайн и функциональную архитектуру.
Обнаружение: Датчики обнаруживают происходящее во внешнем мире, от температуры и атмосферного давления до движения людей. Например, камера может отправлять данные в приложение машинного обучения, предназначенное для обнаружения объектов, чтобы подтвердить правильность прикрепления этикетки к бутылке. Несколько технических решений зависят от того, что именно обнаруживается и с какой частотой. Также необходимо учитывать стоимость, размер и сложность датчиков. Для терморезистора, используемого для измерения температуры, потребуются дополнительные компоненты для аналоговой среды и какое-либо программное обеспечение для обработки данных перед преобразованием в цифровой формат. Еще одним важным фактором является количество необходимых датчиков и частота запросов к их данным.
Возможность подключения также имеет решающее значение: как IoT-устройство будет взаимодействовать с основной системой управления? Доступна ли беспроводная система связи для всех сценариев использования, или предпочтительнее проводной метод? Тип датчика также будет определять объем передаваемых данных и частоту их передачи. Беспроводная ячеистая технология может обеспечить более стабильную связь в крупной установке, но она требует, чтобы все IoT-устройства работали по беспроводной связи. В случае беспроводной связи одним из решений, которое необходимо принять, является выбор между созданием дискретной конструкции или использованием сертифицированного модуля.
Источник питания: Какой профиль энергопотребления может иметь IoT-устройство? Некоторые приложения, частоты связи и беспроводные протоколы создают значительную энергетическую нагрузку, с которой батарея не справляется. В некоторых установках может быть доступна линия электропередачи. Современная тенденция в области IoT-датчиков — использование технологий сбора энергии для полного отказа от батареи: энергия получается из окружающих источников энергии — таких как солнечная энергия, вибрации и тепло — и используется для зарядки суперконденсатора.
Пользовательский интерфейс: Потребуется ли IoT-устройство для взаимодействия с пользователем? Что произойдет во время установки и при подключении к основной системе, если оно не работает? Требуется ли дисплей или какой-либо индикатор состояния или светодиодный индикатор?
Приложения для облачного управления и аналитики: В IoT устройства всегда подключаются к центральной системе управления. Метод подключения и протоколы определяют требования к программному обеспечению датчика и то, как он взаимодействует с системой. Необходима ли постоянная линия передачи данных для передачи данных, или они могут передаваться партиями через регулярные интервалы?
Советы по выбору комплекта для разработки IoT-приложений
: Комплекты для разработки предоставляют инженерам по встроенным системам быстрый и практичный способ создания прототипов. В этом разделе мы рассмотрим некоторые факторы, которые инженеры должны учитывать при выборе подходящего комплекта. Крупные производители микроконтроллеров предлагают широкий выбор комплектов для разработки и оценки IoT-приложений, поэтому лучше всего провести тщательное исследование и принять решение, основываясь на требованиях к приложению, обсуждавшихся ранее. Ниже вы найдете список функций, которые следует учитывать при выборе комплекта для разработки.
Источник питания:
• Каким образом будет осуществляться питание платы? Будет ли использоваться USB-подключение от компьютера? Батарея? Можно ли питать её от предполагаемого источника питания? Есть ли у неё PMIC, к которому можно получить доступ для использования других источников питания?
• Возможно ли добавить датчик тока для измерения потребления энергии в реальном времени и создания профилей энергопотребления? Если да, то всё ли включено в плату, включая любые дополнительные модули, датчики и т. д.?
Датчики:
• Есть ли на плате датчики того типа, которые вы будете использовать в своем приложении?
• Можно ли добавить дополнительные датчики, используя периферийное соединение или стандартный формат расширения, например, mikroBUS Click?
• Какие периферийные интерфейсы доступны (I2C, UART, SPI, GPIO)?
• Есть ли на плате или микроконтроллере АЦП? Требуются ли дополнительные компоненты для обработки сигнала?
Возможности подключения:
• Какие варианты подключения есть у платы (Wi-Fi, LoRa, BLE, ISM и т. д.)?
• Если возможности подключения не интегрированы в плату, можно ли легко их добавить? Предлагает ли производитель какие-либо рекомендации или поддержку для беспроводных модулей? Существует ли интерфейс стороннего производителя (MikroBUS Click и т. д.)?
• Можно ли обновить прошивку платы по беспроводной связи?
Вычислительные ресурсы:
• Есть ли на плате нужный вам микроконтроллер? Использовали ли вы его раньше? Есть ли у вас необходимые инструменты разработки?
• Достаточны ли вычислительные ресурсы платы для запуска IoT-приложения, основных системных протоколов и любого другого стека протоколов подключения?
• Если микроконтроллер имеет встроенный беспроводной приемопередатчик, можно ли независимо управлять его режимом ожидания для экономии энергии?
• Какие встроенные функции безопасности есть у микроконтроллера? Подходят ли они для вашего приложения?
Управление пользователем:
• Оснащена ли плата кнопками, сенсорными ползунками или другими аппаратными средствами управления?
• Есть ли какой-либо дисплей? Требуется ли он в конечном приложении?
• Можно ли получить доступ к светодиодам пользователя из вашего кода? Достаточно ли светодиодов доступно? Можно ли быстро добавить больше светодиодов по мере необходимости к неиспользуемому порту GPIO?
Программная поддержка:
• Какой набор инструментов рекомендуется для этой платы? Доступен ли он?
• Включает ли он полный пакет поддержки платы (BSP)?
• Какие дополнительные микропрограммы, библиотеки и драйверы необходимы? Являются ли они бесплатными?
• Обратитесь к производителю платы за информацией о требованиях к лицензированию микропрограмм и промежуточного программного обеспечения.
• Есть ли на плате предварительно загруженные тесты для демонстрации ее возможностей? Включает ли она связь с популярными поставщиками услуг, такими как Microsoft Azure или Amazon AWS?
• Есть ли на плате другие примеры кода или тесты? Существует ли экосистема библиотек и партнеров по разработке?
Примеры плат для разработки IoT:
Плата для разработки IoT Microchip WFI32.
Microchip WFI32 (номер детали EV36W50A) — это автономная, универсальная, полностью интегрированная плата для разработки IoT (изображение 1).
На изображении 2 показана блок-схема платы WFI32-IoT, на которой видны некоторые интегрированные компоненты Microchip.
Изображение 2: Блок-схема отладочной платы Micro WFI32-IoT EV36W50A (источник: Microchip).
EV36W50A (источник: Microchip).
Плата WFI32-IoT интегрирует беспроводной модуль Wi-Fi 802.11 от Microchip WFI32E01PC, использующий семейство микроконтроллеров PIC. Среди интегрированных датчиков — цифровая схема измерения температуры I2C от Microchip и цифровая схема измерения освещенности. Разработчики могут подключать дополнительные датчики или периферийные устройства через вход mikroBUS. Беспроводной микроконтроллер также имеет встроенную антенну. Питание платы может осуществляться от компьютера или литий-полимерного аккумулятора. Для зарядки аккумулятора через USB от компьютера имеется встроенный PMIC.
На плате предварительно загружен тестовый образ, который считывает информацию с интегрированных датчиков и отправляет данные в облако Amazon AWS. Пример кода и полный набор инструкций доступны в репозитории GitHub.
Эталонный проект для многоканальной системы отслеживания активов STMicroelectronics STEVAL ASTRA1B
(на изображении 3) демонстрирует эталонный проект и комплект для разработки.
STEVAL ASTRA1B специально разработан для прототипирования и оценки приложений отслеживания активов. Он объединяет два модуля беспроводной связи: STM32WB5MMG (микроконтроллерный модуль BLE/ZigBee ближнего действия с низким энергопотреблением, работающий на частоте 2,4 ГГц) и STM32WL55JC (микроконтроллерный модуль дальнего действия, работающий на частоте ниже ГГц, для связи в сетях LPWAN, таких как LoRa).
Рисунок 3: Комплект для разработки системы отслеживания активов STEVAL-ASTRA1B (источник: ST).
STEVAL ASTRA1B включает в себя полный набор датчиков, способных измерять множество параметров окружающей среды и движения. Модуль GNSS обеспечивает данные позиционирования на открытом воздухе. Плата также оснащена элементом безопасности STSAFE, батареей емкостью 480 мАч и предварительно настроенным тестовым модулем с панелью управления для отслеживания активов и мобильным приложением.
Silicon Labs xG24-RB4188A — это дополнительный модуль разнесения антенн для прототипирования беспроводных приложений 2,4 ГГц (рис. 4). Он подключается к беспроводной стартовой плате Silicon Labs BRD4001. Модуль содержит систему на кристалле Silicon Labs EFR32 Wireless Gecko, радиочастотный переключатель, адаптивную сеть и два антенных разъема SMA. Выходная мощность радиочастотного сигнала от EFR32 составляет +20 дБм.
Изображение4: Модуль разнесения антенн Silicon Labs xG24-RB4188A, установленный на основной плате Silicon Labs Wireless Kit Pro (источник: Silicon Labs).
Комплекты для разработки SEMTECH LR1120.
Для создания прототипов приложений LoRa LPWAN на основе беспроводного микроконтроллера SEMTECH LR1120 компания SEMTECH предлагает ряд комплектов для разработки LR1120, таких как показанный на рисунке 5.
Рисунок 5: Пример комплекта для разработки SEMTECH LR1120 (источник: SEMTECH).
Комплекты доступны в региональных вариантах в соответствии с субгигагерцовым спектром диапазона для промышленных, научных и медицинских (ICM) приложений.
Комплект LR1120 может использоваться во многих многорегиональных приложениях для предотвращения краж, управления запасами и отслеживания активов.
Ранее мы обсуждали возможность добавления дополнительных датчиков или периферийных устройств к плате разработки. Как уже объяснялось, плата Microchip оснащена разъемом mikroBUS. Этот разъем, разработанный компанией Mikroe, быстро стал отраслевым стандартом, и многие производители полупроводников включили его в свои оценочные и отладочные платы. Вход mikroBUS обеспечивает последовательную связь SPI, UART и I2C, а также питание, аналоговые и ШИМ-сигналы — все это в компактном разъеме. Компания Mikroe разработала сотни Click , использующих этот практичный форм-фактор.
Одним из примеров является Mikroe Ultra-Low Press Click, разработанная для пневматических измерений низкого давления, которая оснащена датчиком давления TE Connectivity SM8436, взаимодействующим через интерфейс I2C (рис. 6).
Изображение 6: Пластина Mikroe Ultra-Low Press Click (источник: Mikroe)
Комплекты для разработки IoT-приложений способствуют прогрессу.
Благодаря платам разработки, создание прототипов для IoT-приложений стало намного проще. В этой короткой статье мы затронули несколько вопросов, которые инженеры по встроенным системам должны задать себе при выборе подходящей платы разработки. Однако рассмотренные нами факторы — не единственные, которые следует учитывать. Конкретное приложение будет иметь свои требования и условия, которые также необходимо принимать во внимание.
Что он собирается спроектировать?
