magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

Monarch shield 01Az IoT világában számos különböző út áll egy tervező előtt ugyanazon cél eléréséhez. Nulláról indulva többféle lehetőség közül választhat: mely érzékelők a legalkalmasabbak az adott feladatra; milyen csatlakozási megoldást válasszon; melyik MCU-platform biztosítja a legjobb teljesítményt, miközben a legátfogóbb fejlesztői környezet támogatja; és végül hogyan illessze mindezt egy adott energiafogyasztási költségvetésbe? Látszólag triviálisnak tűnik, de ezekre a kérdésekre nem könnyű válaszolni, különös tekintettel az új termékek hihetetlenül gyors megjelenésére a félvezető piacon. A helytelen választás könnyen vezethet egy elkésett megoldáshoz.

 

A félvezető üzletágban szerzett széles körű tapasztalatokra építve az EBV intelligens érzékelés és csatlakozás (Smart Sensing & Connectivity) területével foglalkozó szakemberei magas szintű műszaki szakértelemmel és piaci ismeretekkel rendelkeznek ahhoz, hogy bizalommal válaszolhassanak ezekre a kérdésekre. Legutóbbi projektjük, a SmartCTherm IoT-szenzorkártya a Renesas és Sequans legújabb IoT-ready megoldásain alapul.
A SmartCTherm-projekt nemcsak egy intelligens IoT-szenzorcsomópont celluláris LPWA-csatlakozással, amely NB-IoT / Cat M hálózatkapcsolati formátumú tényező, hanem teljes körű szolgáltatásokat is magában foglal, beleértve a műszaki támogatást, az igény szerinti tanácsadást és a bemutatót, a képzést és a partnerséget. Ez egy olyan teljes értékű IoT-megoldás, amely az IoT-tervezők és fejlesztők legszélesebb körét célozza meg.

 

A tökéletes IoT-megoldás megtervezése: tervek és döntések

A tervezési szakaszban az EBV SSC csapata három fő célt tűzött ki:

Egyszerűség – zökkenőmentes csatlakozás
Betekintés – szenzorértékek és informatív adatok
Vizualitás – látványos GUI a legjobb felhasználói élményhez

 

Az első előfeltétel a zökkenőmentes csatlakozás volt, bármely helyről. A csapat meg akarta valósítani, hogy a szenzor nyers adatait képesek legyenek feldolgozni és átalakítani azokat gyakorlatilag hasznos információkká. Más szavakkal, magas feldolgozási teljesítmény elérése a lehető legkisebb energiafogyasztás mellett. Végül egy tetszetős felhasználói felület megteremtése, ami a legtöbb felhasználó számára egy magasabb szintű élményt nyújt. Az emberek többnyire vizuális lények, ezért sokkal hatékonyabban dolgozzák fel az adatok vizuális ábrázolását. Emiatt a grafikus felhasználói felület (GUI) alkalmazására egyre nagyobb az igény.
A célok kitűzése után az SSC tervezői továbbléphettek a következő szakaszba: gondosan megválasztani az összetevőket, és dönteni a terveiknek megfelelő fejlesztői platformról. Hosszas mérlegelés után kettős megoldás mellett döntöttek:

  • EBV-IoT csatlakozási modul Sequans GM01Q alapon

  • EK-RA6M3G fejlesztőkészlet a Renesas-tól

Ebben a cikkben kerül sor a csapat néhány választása és döntése mögött meghúzódó érvelés hátterének megvilágítására.

 

EBV-IoT Sequans GM01Q kommunikációs kártya

Az EBV-IoT kommunikációs kártya a Sequans Communications Monarch GM01Q LTE-modulján alapul. Az LTE-modul mellett a kártya két Renesas környezeti érzékelőt is tartalmaz: a HS3001 digitális relatív páratartalom- (RH) és hőmérséklet-érzékelőt, valamint a ZMOD4410 fémoxid (MOX) -alapú gázérzékelőt a beltéri levegő minőségének (TVOC) érzékeléséhez.
Mivel minden IoT-tervezés egyik legfontosabb szempontja a biztonság, az EBV-IoT kommunikációs kártya a Microchip ATECC608A biztonsági elemét (Secure Element) is tartalmazza. Az ATECC608A SE hardverszintű biztonságot nyújt, lehetővé téve a különféle biztonsági funkciók, például a TLS- (Transport Layer Security) protokoll megvalósítását. Ha többet szeretne megtudni az IoT biztonsági megoldásairól, az áprilisi cikkünkben részletesen írtunk a témáról: http://www.magyar-elektronika.hu/10005-tartalom/2610-iot-hogyan-vedekezzunk-a-kiberbunozok-ellen
Az EBV-IoT kommunikációs kártya a vezetékes csatlakozási lehetőségek széles skáláját kínálja, beleértve a Micro USB portot, a PMOD bővítő csatlakozót és a SEEED csatlakozót további I2C vonalakkal. A standard Arduino UNO csatlakozók könnyű kapcsolódási lehetőséget nyújtanak a fejlesztőeszközök széles skálájához.

 

RA EVK 01

 

Vezeték nélküli kapcsolat

A vezeték nélküli kapcsolat kétségtelenül az IoT-tervezés egyik legfontosabb szempontja. Az EBV-tervezők hárompontos tervének első tétele a széles körű és zökkenőmentes kapcsolat volt. Ez a választási lehetőségeket olyan LTE-alapú modulokra szűkítette le, amelyek minimális energiafelhasználás mellett világszerte működhetnek a jól bevált celluláris hálózatok használatával. A kapcsolódó költségek (pl. előfizetés) minimálisra csökkentésére is szükség volt ezért. Számos különféle kapcsolódási megoldás megfontolása után az EBV SSC szakemberei a Sequans Communications cég Monarch GM01Q LTE-modulját választották. A választás jobb megértése érdekében röviden ismertetni kell néhány jelenlegi LPWA-megoldást, és magát a modult.

 

Az LPWA-technológia

Az alacsony fogyasztású szélessávú (LPWA) hálózatok a vezeték nélküli technológia új osztályát képviselik, amelyet kifejezetten az IoT-alkalmazások igényeinek kielégítésére fejlesztettek ki. A tipikus IoT-alkalmazások alacsony adatátviteli sebességgel működnek, és óránként vagy akár naponta csak egyszer kis mennyiségű adatot cserélnek. Ezek az alkalmazások széles körű lefedettséget igényelnek, nagyon alacsony energiafogyasztással. Annak ellenére, hogy erre léteznek speciális technológiák (LoRa és Sigfox, hogy csak néhányat említsünk), előnyösebb lenne egy nyitott és globálisan szabványosított megoldás. E tekintetben a 3GPP konzorcium három új technológiát adott ki, amelyek az LPWA-ra és a gép-gép kommunikációra összpontosítottak, de a projekt szempontjából ezek közül csak kettő releváns: az NB-IoT (LTE-CAT NB1, CAT0) és az LTE CAT M1 (LTE-M vagy eMTC).
Az NB-IoT és az LTE CAT M1 két vezető celluláris LPWA-technológia. Mindkettő alacsonyabb energiafogyasztást, jobb lefedettséget és jobb méretezhetőséget kínál (akár 150 ezer eszköz bázisállomásonként) csökkentett üzemeltetési költségek mellett. Az LTE CAT M1 a nagyobb (akár 350 kbps) adatátviteli sebesség felé hajlik, jobb támogatást nyújtva a mobil alkalmazások számára, amíg az NB IoT nagyon alacsony adatátviteli sebességre (legfeljebb 20 kbps) összpontosít, és ideális a statikus, nem mozgó érzékelő alkalmazások számára (például a SmartCTherm IoT-szenzorkártya). A legfontosabb, hogy ezek a technológiák nem igényelnek külön infrastruktúrát; úgy telepíthetők, hogy a legtöbbször csak a szoftvert kell frissíteni a meglévő mobil infrastruktúrán, jelentősen csökkentve a telepítési és karbantartási költségeket.

 

Monarch GM01Q

A Monarch GM01Q egy „all-in-one" LTE-M és NB-IoT-modul, világszerte lehetséges telepítési és barangolási képességgel – a Sequans elismert Monarch LTE-platformján alapul. Tartalmazza az összes támogatóelemet, amely egy ultrakompakt LTE-modem megoldás kialakításához szükséges, egy apró, 20 × 21 × 15 mm-es LGA-tokban (a teljes Q-sorozattal pin-kompatibilis). Problémamentes IoT-kapcsolatot biztosít, kivételesen alacsony energiát fogyasztva az általa kínált szolgáltatásokhoz. Elérhető nagy sebességű UART interfészen keresztül, és támogatja az adatátvitelt a PPP-n (Point to Point Protocol) keresztül is. A Monarch GM01Q-modullal kapcsolatos további műszaki leírásokért és részletes információkért forduljon hozzánk bizalommal.

 

Renesas

A korábban megállapítottak szerint a vezérlőplatform kiválasztása nem volt egyszerű. Végül is ez nagyrészt előre meghatározza a fejlődési utat: egyszerűvé és egyértelművé vagy zavaróvá és időigényessé teszi azt. Az EBV beszállítói közösségének vadonatúj szereplőjeként a Renesas nagyszerű megoldásokat kínál, és tervezőink szívesen kipróbálták őket. Az átfogó és rugalmas fejlesztési környezet által támogatott, új generációs IoT-alkalmazásokra optimalizált RA6-os MCU-család felkeltette az EBV-tervezők érdeklődését, és a Renesas mellett döntöttek; pontosabban az EK-RA6M3G-fejlesztőkártyára, az RA6 MCU-család RA6M3 variánsára esett a választás.


RA EVK 01

 

Az EK-RA6M3G fejlesztőkártya tartalmaz egy Arduino UNO pin-kompatibilis bővítést is (sok egyéb csatlakozási lehetőség mellett), amely zökkenőmentes integrációt tesz lehetővé az EBV-IoT kommunikációs kártyával. Ráadásul az MCU minden egyes kivezetése elérhető a szokásos 2,54 mm-es kétsoros csatlakozókon keresztül, lehetővé téve a perifériák, például a TFT képernyő és a kapacitív érintőpanel egyszerű integrálását.

 

Szoftverfejlesztési ökoszisztéma

Az RA6M3 MCU az IoT-alkalmazásokhoz optimalizált Renesas MCU-k közepesen magas kategóriájába tartozik. Nagy memóriakapacitással, nagy teljesítménnyel, gazdag perifériakészlettel rendelkezik. Legfőbb előnye azonban egy nagyon fejlett, ugyanakkor könnyen használható fejlesztési ökoszisztéma.
A Renesas RA MCU-családot a rugalmas szoftvercsomag (FSP) támogatja, amely termelésre kész perifériás könyvtárakat, illesztőprogramokat és szoftvercsomagokat (Ethernet, USB, fájlrendszer), valamint az AWS FreeRTOS®-t (nyílt forráskódú valós idejű operációs rendszer beágyazott eszközökhöz) kínálja, lehetővé téve az RA (Renesas Advanced) Partner-ökoszisztéma teljes körű előnyeinek az érvényre jutását. Az RA Partner-ökoszisztéma több mint 50 különböző beszállítót foglal magában, kész szoftver- és hardver-építőelemekkel, amelyek zökkenőmentesen működnek az MCU-k teljes RA-családjában. Ez a hatékony eszközkészlet átfogó, integrált keretet nyújt a komplex beágyazott alkalmazások gyors fejlesztéséhez.
Több fejlesztői környezet (IDE) közül lehet választani. A Renesas népszerű Synergy e2 Studio támogatást nyújt az RA-család számára, számos hasznos funkcióval, például intelligens pin-kiosztással vagy intelligens konfigurátorral. A fejlesztők természetesen szabadon használhatnak más népszerű IDE-ket is, beleértve a KEIL MDK-t vagy az IAR Embedded Workbench-et.
Az AppWizard egy grafikus felhasználói felületet (GUI) létrehozó eszköz a SEGGER-től. A Renesas FSP és a SEGGER grafikus könyvtárai (emWin) együtt egyszerű GUI fejlesztési élményt nyújtanak. Az AppWizard egy grafikus „point-and-click” környezet, amely gyorsan és intuitív módon teszi lehetővé a GUI elemek és műveletek létrehozását. Minden paraméter teljes értékben testreszabható, beleértve a képernyő felbontását, a színmélységet és a különféle egyéb paramétereket. Előnézeti funkció is elérhető, amely lehetővé teszi a tervezők számára, hogy teszteljék a grafikus felhasználói felületet, mielőtt feltöltenék a kódot a tényleges hardverre. Az AppWizard könnyen illeszkedik a nagy teljesítményű Renesas Synergy e2 Studio Integrated Solution Development Environment (ISDE) stúdióba, egy sokoldalú GUI létrehozóesz-közzel kiegészítve azt.

 

SmartCTherm-szoftverarchitektúra

A SmartCTherm IoT-szoftverarchitektúrája meglehetősen egyszerű. Az alábbi ábra világosan szemlélteti azt az általános szoftverarchitektúrát, amelyet nagyon könnyű felépíteni a Renesas által biztosított kész megoldásokból:
Az RA6M3 MCU a szenzorokkal és az érintőképernyővel a szabványos I2C interfészen (érzékelőkön és érintéses üzeneteken) keresztül kommunikál. A kommunikációs szál a Monarch GM01Q-val az UART interfészen keresztül, AT parancsok segítségével történik. Történelmileg az AT parancskészletet a modemekkel való kommunikáció standard módjaként használják, amióta Hayes 1981-ben bevezette ezeket Smartmodem sorozataiba. Ezért az AT-parancskészlet Hayes parancskészletként is ismert.
Minden parancs az AT-karaktersorozattal kezdődik, amely egy „Figyelem” jelentéssel bír, amit maga a parancssor követ.
Az MCU egyik fő feladata az AT-parancsok értelmezése, ami általában formázott AT-parancsok küldését és a megfelelő műveletek megtételét jelenti, miután a modem felől megkapta a választ. A fennmaradó két szál magától értetődő: a dátum/idő információ frissül a Blinky üzeneten belül, míg a SEGGER emWin GUI könyvtárai a saját üzenetein belül futnak (emWIN üzenet).

 

SW Diagram

 

Felhőkapcsolat

A Monarch GM01Q-modul feladata, hogy kapcsolatot teremtsen a Felhővel. A SmartCTherm az MQTT (Message Queue Telemetry Transport) üzenetküldési protokoll használatára támaszkodik, amit a TCP rétegen futó, könnyű M2M kommunikációhoz terveztek. Az MQTT közzététel- / előfizetés- (publish/subscribe) alapú protokoll, amely a TLS-t használhatja a fokozott biztonság érdekében. Az MQTT (és annak biztonságosabb változata, az MQTTS) sok felhőszolgáltató által széles körben elfogadott protokoll. Jelenleg a SmartCTherm IoT-kártya előre konfigurált, hogy csatlakozni tudjon a Cayenne Cloud szolgáltatáshoz. A kapcsolati paraméterek kisebb módosításával azonban gyakorlatilag bármely MQTT-kompatibilis felhőhöz képes csatlakozni, beleértve a nagyon fejlett felhőplatformokat, például az MS Azure-t, az AWS-t vagy az Avnet IoTConnect-et.
Az Avnet IoTConnect egy teljes értékű felhőplatform-szolgáltatás (PaaS). Ez a horizontális IoT-platform lehetővé teszi az eszköz kommunikációját és kezelését, az adattárolást, az alkalmazás létrehozását, valamint az engedélyezést és a robusztus biztonsági protokollokat. Az Avnet IoTConnect platformról többet is megtudhat ezen a linken: https://www.avnet.com/wps/portal/us/solutions/iot/software/iot-platform/

 

Összegzés

Ma a fejlesztők egyre magasabb igényekkel néznek szembe a gyorsan fejlődő IoT-piacon. Különféle gyors fejlesztési megoldásokra kell támaszkodniuk abban a reményben, hogy általuk nagyon szűk határidőket tudnak elérni. Az EBV SSC szakembereinknek alkalmuk volt tesztelni a Renesas fejlesztési ökoszisztémáját, miközben kifejlesztették a SmartCTherm intelligens IoT-kártyát, és nagyon elégedettek voltak az eredményekkel. Ha többet szeretne megtudni a Renesas-ról és annak gyors fejlesztési megoldásairól vagy a Sequans LTE-moduljairól, ne hagyja ki az EBV által kínált bemutatókat, webes szemináriumokat, workshopokat. További támogatásért állunk rendelkezésre a budapesti irodában!

  

Gnyálin István
EBV Elektronik Kft.
1117 Budapest, Budafoki út 91–93.
Tel.: +36 30 470 34 96
E-mail: istvan.gnyalin@ebv.com
www.ebv.com