Περιεχόμενο με επίκεντρο: Ολοκληρωμένες λύσεις μίας χρήσης για εύκολη ασύρματη ανάπτυξη

Η ασύρματη συνδεσιμότητα παρέχει την ευκολότερη διαδρομή προς το σύννεφο, επιτρέποντας την πρόσβαση στο IoT για ευρύ φάσμα εφαρμογών. Μέσω ασύρματης υποστήριξης, δεν χρειάζεται να εκτελούνται καλώδια στη θέση κάθε συσκευής και τα έξυπνα πρωτόκολλα, όπως το Bluetooth, διευκολύνουν την εγκατάσταση συσκευών από σχεδόν οπουδήποτε.

Επιλογές ασύρματης τεχνολογίας

Οι τεχνικές ομάδες έχουν τώρα πρόσβαση σε ένα ευρύ φάσμα επιλογών ασύρματης συνδεσιμότητας που είναι κατάλληλες για την εφαρμογή τους.

Μικρό εύρος: Για χρήση μικρής εμβέλειας στο σπίτι ή το γραφείο, το Bluetooth και το WiFi καλύπτουν το εύρος των χαρακτηριστικών που απαιτούνται για χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και υψηλό εύρος ζώνης. Ακόμη και σε μεγαλύτερες εγκαταστάσεις, όπως σε ένα μεγάλο χώρο αποθήκευσης ή σε ένα κατάστημα, η χρήση πύλης WiFi και δικτύων δικτύων σε δίκτυα χαμηλής κατανάλωσης όπως Bluetooth ή Zigbee, επεκτείνουν σημαντικά το εύρος λειτουργίας.

Μεσαία σειρά: Ασύρματα δίκτυα όπως το LoRaWAN και το Sigfox καθιστούν δυνατή την πρόσβαση σε συσκευές σε σειρές δεκάδων χιλιομέτρων με πολύ χαμηλό κόστος. Αυτά τα δίκτυα έχουν σχεδιαστεί για τη μεταφορά μικρών ποσοτήτων δεδομένων, υποστηρίζοντας δεδομένα ποσοστών έως και 50kb / s στην περίπτωση του LoRaWAN και σε αντίθεση με τις κυψελοειδείς υπηρεσίες, αυτά τα δίκτυα δεν χρεώνονται από το byte. Οι χρήστες μπορούν να χρησιμοποιούν τις δικές τους πύλες, οι οποίες ενδέχεται να απαιτούνται για την εξυπηρέτηση σε απομακρυσμένες τοποθεσίες, αλλά και να παρέχουν επιλογές όπου η κυψελική κάλυψη μπορεί να μην είναι αξιόπιστη. Οι πάροχοι υπηρεσιών, όπως το The Things Network, δημιούργησαν δημόσια δίκτυα βασισμένα στο LoRaWAN που καλύπτουν ολόκληρες πόλεις και τα προάστιά τους. Το δίκτυο των πραγμάτων έχει πλέον περισσότερες από 8.000 πύλες σε λειτουργία που καλύπτουν πολλές μεγάλες πόλεις και προάστια της Δυτικής Ευρώπης και πυκνοκατοικημένες περιοχές των ΗΠΑ.

Μεγάλο εύρος / ευρέως διαδεδομένο: Όταν απαιτείται πιο εκτεταμένη κάλυψη και η εφαρμογή μπορεί να υποστηρίξει τη χρέωση πληρωμής ανά χρήση, οι σχεδιαστές μπορούν να χρησιμοποιήσουν δίκτυα 2G, 3G και 4G.

Το ιστορικό της ασύρματης σύνδεσης

Ένα πρόβλημα που αντιμετώπισαν πολλοί σχεδιαστές στο παρελθόν ήταν ότι η ανάπτυξη αποτελεσματικών διασυνδέσεων RF για να καταστεί δυνατή η ασύρματη συνδεσιμότητα είναι δύσκολη και χρονοβόρα. Τα σήματα υψηλής συχνότητας που πρέπει να περάσουν από την κεραία στον πομποδέκτη χρειάζονται λεπτό χειρισμό για να εξασφαλίσουν υψηλό λόγο σήματος προς θόρυβο. Η ίδια η κεραία μπορεί να έχει δραματική επίπτωση στην απόδοση, με μικρές αλλαγές στο σχήμα και τη δομή, που σημαίνει τη διαφορά μεταξύ ενός πομποδέκτη RF που λειτουργεί στην επιθυμητή περιοχή και ενός που είναι αποτελεσματικό μόνο σε μικρές αποστάσεις. Επιπλέον, τα ασύρματα συστήματα πρέπει να περάσουν αυστηρές δοκιμές που καθορίζουν εάν το σύστημα θα επηρεάσει άλλους χρήστες, ακόμη και σε ζώνες που δεν χρειάζονται ειδική ραδιοφωνική άδεια, όπως οι ζώνες 2,4GHz που χρησιμοποιούνται από Bluetooth, WiFi και άλλα.

Οι παραδοσιακοί υπολογιστές μονής-πλατφόρμας (SBC) δεν είχαν ασύρματη συνδεσιμότητα, αναγκάζοντας τις ομάδες σχεδιασμού να αναπτύξουν προσαρμοσμένες ενότητες, αλλά αναπτύχθηκαν οικοσυστήματα γύρω από το Raspberry Pi, το BeagleBone και το Arduino, αναπτύχθηκαν έτοιμα μονάδες που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν με τους πυρήνες SBCs. Οι επιλογές συμπεριλάμβαναν, για παράδειγμα, τη μονάδα WiPi για το Raspberry Pi, που συνδέεται με τη μονάδα επεξεργαστή μέσω θύρας USB. Το BeagleBone και το Arduino προέβλεπαν παρόμοιες επιλογές ασύρματης μονάδας, συνδέοντας τους ακροδέκτες pin-header.

Παρόλο που η χρήση προσθέτων ασύρματων μονάδων μείωσε το χρόνο που σχετίζεται με το σχεδιασμό υλικού, δεν έκοψε το χρόνο που σχετίζεται με άλλες πτυχές της ασύρματης ενσωμάτωσης. Ο σχεδιαστής θα πρέπει, σε πολλές περιπτώσεις, να ακολουθήσει τις δικές του δοκιμές για να εξασφαλίσει τη συμμόρφωση με τη νομοθεσία που καλύπτει τις εκπομπές ραδιοσυχνοτήτων στις περιοχές όπου επιθυμούν να πωλούν προϊόντα.

Μια περαιτέρω ζήτηση από πλευράς χρόνου και κόστους προήλθε από τη διαδικασία ολοκλήρωσης του λογισμικού. Υπάρχουν πολλές επιλογές πυριτίου πομποδέκτη, ειδικά με δημοφιλή ασύρματα πρωτόκολλα μικρής εμβέλειας και χαμηλής κατανάλωσης όπως Bluetooth ή WiFi. Η υποστήριξη πρωτοκόλλου στην ασύρματη λειτουργική μονάδα παρέχεται από ένα ειδικό SoC που εκτελεί σειρά βιβλιοθηκών υλικολογισμικού, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις ενδέχεται να χρειαστεί να εκτελεστούν τα επίπεδα πρωτοκόλλου υψηλού επιπέδου στο SBC του κεντρικού υπολογιστή, με κάποια μορφή ιδιόκτητου σειριακού πρωτοκόλλου που χρησιμοποιείται διαβιβάζουν δεδομένα μεταξύ των επιπέδων. Ο ολοκληρωτής θα είναι υπεύθυνος για τη συγκέντρωση αυτών των στοιχείων λογισμικού με συνεκτικό τρόπο.

Οι σημερινές λύσεις για ασύρματη συνδεσιμότητα

Καθώς η ασύρματη συνδεσιμότητα έχει γίνει πιο δημοφιλής, οι κατασκευαστές SBC και τα ολοκληρωμένα περιβάλλοντα ανάπτυξης λογισμικού υλικού όπως το Arduino έχουν πάρει μια ποικιλία από μονοπάτια για να φέρουν ασύρματη υποστήριξη στις σειρές προϊόντων τους. Οι επιλογές περιλαμβάνουν ολοκληρωμένες λύσεις που επωφελούνται από την ολοκλήρωση που παρέχεται από μια αυξανόμενη γκάμα μικροελεγκτών που ενσωματώνουν άμεση υποστήριξη για ασύρματα πρωτόκολλα. Άλλοι χρησιμοποιούν αρθρωτές αρχιτεκτονικές για να παρέχουν στους σχεδιαστές μια επιλογή από επιλογές ασύρματης συνδεσιμότητας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν με μια κοινή βάση.

Η χρήση της ενσωματωμένης μονάδας φέρνει αρκετά βασικά πλεονεκτήματα, μεταξύ των οποίων το πλήρες SBC, συμπεριλαμβανομένης της ασύρματης συνδεσιμότητας, έχει δοκιμαστεί για συμμόρφωση με τη νομοθεσία για τις εκπομπές ραδιοσυχνοτήτων σε όλα τα εδάφη για τα οποία διατίθενται προς πώληση τα δομοστοιχεία. Η μηχανολογική ομάδα μπορεί επίσης να επωφεληθεί από το προ-ενσωματωμένο υλικολογισμικό το οποίο μπορεί σε ορισμένες περιπτώσεις να κάνει την ασύρματη συνδεσιμότητα τόσο απλή όσο η αποστολή δεδομένων μέσω μιας σειριακής θύρας και συχνά οι ολοκληρωμένες λύσεις προσφέρουν χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας από τους συνδυασμούς βάσεων και μονάδων addon οι προμηθευτές ήταν σε θέση να επωφεληθούν πλήρως από την επεξεργασία που είναι διαθέσιμη τόσο στον κεντρικό MCU όσο και στους πυρήνες επεξεργαστών μέσα στους ασύρματους πομποδέκτες.

Το αποτέλεσμα της ενσωμάτωσης είναι ο μικρότερος συνολικός χρόνος ανάπτυξης και οι μικρότεροι συντελεστές μορφής σε σύγκριση με τα σχέδια που βασίζονται σε σάντουιτς πολλαπλών σανίδων. Πολύ συχνά, το κόστος μειώνεται λόγω της υψηλότερης ολοκλήρωσης και οι προγραμματιστές μπορούν να συνεχίσουν να επωφελούνται από την κεφαλίδα-pin και παρόμοιες διεπαφές για να προσαρτήσουν προσαρμοσμένες ενότητες αισθητήρων.

Οι προγραμματιστές έχουν πρόσβαση σε ισχυρές λύσεις υψηλής ενσωμάτωσης, όπως ο υπολογιστής Raspberry Pi 4 Model B (παραπάνω). Προσφέρει πρωτοποριακές αυξήσεις στην ταχύτητα του επεξεργαστή, την απόδοση πολυμέσων, τη μνήμη και τη συνδεσιμότητα (σε σύγκριση με το Raspberry Pi 3 Model B + της προηγούμενης γενιάς), διατηρώντας ταυτόχρονα συμβατότητα προς τα πίσω και παρόμοια κατανάλωση ενέργειας. Τα βασικά χαρακτηριστικά του προϊόντος περιλαμβάνουν επεξεργαστή Quad-Core Quad-Core 64-bit quad-core (ARM v8), υποστήριξη διπλής οθόνης σε ανάλυση μέχρι 4K μέσω ζεύγους θυρών micro-HDMI, αποκωδικοποίηση βίντεο υλικού έως και 4Kp60, 4GB μνήμης RAM, ασύρματο LAN 2.4 / 5.0GHz διπλής ζώνης, Bluetooth 5.0, Gigabit Ethernet, USB 3.0 και δυνατότητα PoE (μέσω ξεχωριστού πρόσθετου PoE HAT). Το ασύρματο LAN και το Bluetooth με διπλή ζώνη διαθέτουν πιστοποιημένη πιστοποίηση συμμόρφωσης, επιτρέποντας έτσι στην πλακέτα να σχεδιάζεται σε τελικά προϊόντα με σημαντικά μειωμένο έλεγχο συμμόρφωσης, βελτιώνοντας τόσο το κόστος όσο και το χρόνο αγοράς.

Το BeagleBone Black (παρακάτω) αντικαθιστά τον ελεγκτή Ethernet του αρχικού σχεδιασμού SBC με διεπαφή WiFi 2,4 GHz και έναν πομποδέκτη Bluetooth 4.1 και BLE. Η ενσωματωμένη μονάδα είναι κατασκευασμένη γύρω από το SIP της Octavo Systems. Αυτό συνδυάζει έναν επεξεργαστή Arm Cortex-A8 με μνήμη DDR υψηλής ταχύτητας 512GB και φλας 4GB. Για να υποστηρίξει εφαρμογές που χρειάζονται επεξεργασία υψηλής ταχύτητας I / O, ο επεξεργαστής TI υποστηρίζεται από δύο προγραμματιζόμενες μονάδες πραγματικού χρόνου (PRUs). Οι λειτουργίες εκφόρτωσης PRUs που απαιτούν επεξεργασία χαμηλού λανθάνοντος χρόνου από τον επεξεργαστή βραχίονα, παρέχοντας μεγαλύτερο χώρο για ένα λειτουργικό σύστημα, διεπαφή χρήστη και λειτουργίες διαχείρισης συστήματος.

Για απλούστερους σχεδιασμούς, το Particle Photon συνδυάζει έναν μικροελεγκτή Cortex-M3 από την STMicroelectronics με ελεγκτή Cypress WiFi: τον ίδιο τύπο με αυτόν που χρησιμοποιείται σε συσκευές smart-home όπως το Nest Protect και το Amazon Dash. Το Particle Electron παίρνει το ίδιο σύμπλεγμα επεξεργαστών πυρήνα και το εφαρμόζει σε έναν κυψελωτό πομποδέκτη 3G, παρέχοντας τη δυνατότητα δημιουργίας κόμβων IoT που δεν χρειάζονται τοπική πύλη για να συνδεθούν στο νέφος.

Οι αρθρωτές λύσεις παρέχουν μια άλλη οδό για να φέρει ασύρματη συνδεσιμότητα σε ένα σύστημα βασισμένο σε SBC. Με την γκάμα των προϊόντων της Arduino, η ομάδα ανάπτυξης μπορεί να επιλέξει από μια ποικιλία μονάδων - γνωστές ως Shields στο οικοσύστημα Arduino - να προσθέσει μια διασύνδεση RF σε μια βασική πλακέτα. Οι ασπίδες στην οικογένεια MKR προσθέτουν τοπική σύνδεση ή ευρυζωνική σύνδεση ασύρματου δικτύου. Τα MKR 1000 και 1010 περιλαμβάνουν και έναν πομποδέκτη WiFi. Το WAN 1300 παρέχει σύνδεση LoRa και την πρόσβαση στο GSM 1400 στα πολλά κυψελοειδή δίκτυα που είναι διαθέσιμα σε όλο τον κόσμο. Επιπλέον, το MKRFOX 1200 λειτουργεί ως διασύνδεση με το δίκτυο ευρείας περιοχής SigFox χαμηλής ισχύος.

Κάθε μία από αυτές τις ασπίδες μπορεί να τοποθετηθεί σε ένα φορέα όπως το Genuino Zero ή το Due με τη χρήση των ακροδεκτών pin-header. Ένα αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό πολλών από την οικογένεια μονάδων MKR για ασύρματη συνδεσιμότητα έχουν το δικό τους μικροελεγκτή 32bit που βασίζεται στον πυρήνα Arm Cortex-M0 +. Οι προγραμματιστές μπορούν να επωφεληθούν από το M0 + για να εκφορτώσουν την επεξεργασία πακέτων, όπως κρυπτογράφηση και συμπίεση, από τον κύριο επεξεργαστή του μεταφορέα. Εναλλακτικά, συσκευές όπως το MKR1000 μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ανεξάρτητα δομοστοιχεία σε συστήματα περιορισμένου χώρου, αφαιρώντας τις κεφαλές πείρων για τη μείωση της συνολικής έντασης.

Τα κιτ ανάπτυξης παρέχουν άλλες επιλογές για ομάδες μηχανικών, κυρίως για εκείνους που θέλουν να σχεδιάσουν προσαρμοσμένες ενότητες για την παραγωγή όγκου. Τα κιτ ανάπτυξης είναι σχεδιασμένα έτσι ώστε οι ομάδες να λειτουργούν όσο το δυνατόν γρηγορότερα. Για παράδειγμα, το κιτ ανάπτυξης στοιχείων element14 για τον αισθητήρα SimpleLink στο Cloud Linux Gateway παρέχει μια λύση από άκρο σε άκρο. Το κιτ περιέχει όλα τα στοιχεία που απαιτούνται για τη δημιουργία ενός πλήρους δικτύου αισθητήρων, συμπεριλαμβανομένης μιας λύσης πύλης βασισμένης στην πλακέτα BeagleBone Black που επεκτάθηκε με WiFi καθώς και ένα κιτ LaunchPad CC1350 για να λειτουργεί ως αισθητήρας κόμβου μεγάλου βεληνεκούς.

Χάρη σε ένα πλούσιο χαρτοφυλάκιο πλατφορμών που κυμαίνεται από τα πρωτότυπα κιτ μέχρι τα SBCs που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στα συστήματα παραγωγής, οι τεχνικές ομάδες μπορούν τώρα να επωφεληθούν πλήρως από τα νέα επιχειρηματικά μοντέλα που κατέστησαν δυνατή η ασύρματη συνδεσιμότητα στην ηλικία του IoT και παρέχουν λύσεις πολύ διαφοροποιημένες χωρίς να χρειάζεται να ασχοληθεί με την πολυπλοκότητα του σχεδιασμού RF.

Από τον Ankur Tomar, Διευθυντή Marketing Περιφερειακών Λύσεων, Farnell