magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

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

A GigaDevice GD32VF (RISC-V) kontroller alkalmazása egy magyar gyártású IoT egylapos miniszámítógépben

Endrich lid2A cikksorozat előző részeiben igyekeztünk átfogó képet adni a GigaDevice GD32™ ARM® Cortex® és RISC-V mikrokontrollerek használatáról. A platform népszerűsítésére az Endrich a budapesti fejlesztőközpontjában 2020 és 2021 folyamán létrehozta a saját GD32VF-alapú ipari egylapos számítógépét.

 

Az IoT SBC-lapcsalád a hozzá tartozó perifériákkal átveszi a korábban ismertetett GigaDevice kiértékelő panelek szerepét és további lehetőségeket ad a felhasználók számára elsősorban az IoT területén, hiszen az áramkör számos szenzort tartalmaz, és a befoglalt háromsávos (2G/NB-IoT/LTE-M) modem felruházza a GSM hálózaton történő adatkommunikáció lehetőségével is.
A fejlesztés nyílt hardver és szoftver koncepción alapul, azaz bárki hozzáférhet a hardverkapcsoláshoz és a szoftvermintákhoz is a http://e-iot.info portálon. A cikksorozat jelenlegi részében ennek az eszköznek a lehetőségeit mutatjuk be.
A magazin hasábjain már korábban bemutatott Endrich IoT bemutatórendszer – amely tartalmaz minden olyan hardver-, szoftver- és szolgáltatáselemet, ami ezen a területen szükséges – azt a célt szolgálja, hogy a partnereink számára egységes, könnyen hozzáférhető és átlátható mintarendszert tegyen elérhetővé.
Az Endrich IoT ökoszisztéma egyes szolgáltatásai, mint például az Endrich Cloud Database vagy az Endrich Visual Gateway szolgáltatás bizonyos feltételekkel a fejlesztőmérnökök számára ingyenesen rendelkezésre állnak. Írásunkban a 2020-as Ipar Napjai kiállítás nagydíjas hardvercsalád „zászlóshajóját” a GigaDevice 32 bites RISC-V architektúrájú mikrokontroller köré épített egylapos IoT számítógépet és a hozzá tartozó perifériákat szeretnénk bemutatni. Manapság rengeteg miniszámítógép kapható kereskedelmi forgalomban, gondoljunk csak a népszerű Arduino, Raspberry Pi vagy ESP32 eszközökre, azonban az Endrich saját fejlesztésű SBC (Single Board Computer) megoldása az ipari kivitel (hőmérséklet-tartomány) mellett számos extra funkciót is hordoz, mint például a környezeti paraméterek mérésére szolgáló szenzorok nyújtotta lehetőségek és az integrált NB-IoT/LTE-M modem, ami IoT célú GSM kommunikációval egészíti ki az alapfunkciókat.
A teljes egészében magyar fejlesztésű E-IoT ökoszisztéma bemutatására a müncheni Electronica, a nürnbergi Embedded World és a magyarországi TECHFerence és Ipar Napjai kiállításokon, valamint a rendezvényekhez kapcsolódó konferenciákon került sor, továbbá az Endrich kiemelt témája volt az IoT Show és az Ipar Napjai 2020 kiállításokon is.
Szeretnénk gondolni a más mikrokontrolleres rendszereket előtérbe helyező mérnökökre is, ezért az E-IoT hardvercsalád kiegészült olyan elemekkel is, amelyek nemcsak az E-IoT SBC-vel működnek együtt, hanem alkalmasak más gyártók rendszereihez való illesztésre is. Ez a készlet külső miniszenzor-áramköri lapkákból és egyéb perifériákból áll, amelyek I2C, SPI vagy az Endrich által jegyzett, nagy távolság áthidalására képes EI2CTM interfészen keresztül kapcsolódnak az IoT SBC-hez vagy ilyen szabványos interfészekkel rendelkező egyéb rendszerekhez is. Ezek részletes bemutatására a következő bekezdésekben kerül sor.

 

Az Endrich moduláris IoT áramkörcsalád különböző szintű szolgáltatásai

Az általános IoT eszközök három alapfeladatát, az érzékelést, az adatgyűjtés és az adattovábbítás vezérlését, valamint magát az adatkommunikációt az Endrich IoT kártyacsalád modulárisan együttműködő elemei egyenként vagy egymással kombinálva kínálják.

 

Endrich 01

1. ábra Az Endrich IoT hadrvercsalád alapja az IoT SBC, amely minden szükséges funkciót integrál

 

 

A „három az egyben” IoT kártyacsalád

Természetesen a kínálat központi eleme a „zászlóshajó”, az IoT képességek teljes skáláját felvonultató független IoT csomópontként működtethető E-IoT SBC. Ez a kártya egy adatgyűjtő-továbbító és vezérlőkártya is egyben, tartalmazza a szenzorokat, az adatgyűjtés „karmesterét”, a mikrokontrollert, valamint a kommunikációs csatornát biztosító GSM modemet is. A GigaDevice RISC-V mikrovezérlője folyamatosan mintavételezi mind a fedélzeti szenzorokat, mind az egyes külső perifériák (szenzorkártyák) felől érkező adatokat. Elkészíti az Endrich Cloud Database számára értelmezhető JSON (JavaScript Object Notation) datagramot, és automatikusan felveszi a kapcsolatot a szerverrel. Képes a keskenysávú IoT hálózaton, az LTE-M (CAT-M1) hálózaton, vagy ezek hiányában akár a GPRS (2G) hálózaton is kommunikálni.
Egy ebből a megoldásból iterált, de az MVM-Net 450 MHz-es hálózatán az LTE-M szolgáltatás használatára alkalmas, a fenti érzékelőkkel ellátott alaplap mellett léteznek szintén GD32VF103-alapú Longan Nano ls LiliGo vezérlőpanellel ellátott változatok is, amelyeken még egy mini SPI OLED kijelző is helyet kapott.
Az SBC rendelkezik 3 külső általános célú I/O porttal (GPIO) is, amelyek 3,3 V-os TTL szinttel vezérelhető relémodulok vagy más teljesítményfokozat illesztésével nagyobb feszültségű eszközök kapcsolására használhatók, és a megfelelő védelemmel is el vannak látva. A szenzorok által mért adatok alapján közvetlen beavatkozásra is lehetőség van tehát, mint például hőmérséklet-emelkedés esetén nagy teljesítményű ventilátor indítása, sötétség leszálltakor világítás kapcsolása.
Az áramköri lapon a GSM modem AT parancsvezérlésre használható UART bemenete egy mini USB csatlakozón keresztül van kivezetve, így ez a kártya használható a Fibocom GSM próbapanel kiváltására is, ezen a porton keresztül PC-hez kapcsolva a GSM modem külön is működtethető. Hasonlóan a mikrokontroller „in-circuit” programozó UART bemenete is kivezetésre került, így egy külső GD-LINK eszköz használatával, vagy az USB-C csatlakozáson keresztül közvetlenül egy számítógéphez kapcsolva és a Windows/Linux által DFU eszközként felismerve a kezünkben van egy jól felszerelt GIGADEVICE RISK-V MCU próbapanel is.

 

Endrich 02

2. ábra Az Endrich „3In1” szenzor, mikrovezérlő és kommunikációs kártya

 

 

A szenzoradatgyűjtő kártyák

A legegyszerűbb építőelem a különböző szenzorokat felvonultató külső szenzorlap, amely valamilyen szabványos interfészen (I2C, SPI) kapcsolódik a felhasználó által preferált mikrokontrollerhez. Ezzel az eszközzel az Endrich saját szenzorkínálatát igyekszik támogatni. Tetszőleges egylapos számítógéphez (Arduino, Raspberry Pi, ESP32, ARM, RISC-V stb.) illeszthető, de az erre kidolgozott speciális interfészen keresztül az Endrich IoT család magasabb szinten integrált tagjaihoz is kapcsolható.
Az így létrejött külső szenzorkártya-koncepció elemei I2C vagy SPI interfészen keresztül kapcsolódnak a fő IoT vezérlőáramkörhöz. Természetesen ugyanazok a szenzorok kaptak helyet ezeken a kis kártyákon is, mint a „nagytestvéreken”, de sem mikrovezérlőt, sem kommunikációs eszközt nem tartalmaznak, egészen olcsó, néhány dolláros értéket képviselnek.
Minden szenzorkártya csatlakoztatható az Endrich IoT alapkártyákhoz is, ekkor SPI, hagyományos I2C vagy nagy távolságú speciális I2C interfész közül választhat a mérnök. Az utóbbi EI2CTM porton keresztül akár 50 méter áthidalására is lehetőség van. A kapcsolás az IoT lapon lévő I2C szenzoroktól való különválasztás érdekében a mikrokontroller egy másik I2C buszát használja, így lehetőség nyílik nemcsak az eszköz közvetlen közelében, de attól viszonylag nagy távolságban is környezeti paramétereket mérni. Az Endrich koncepciója szerint a mikrokontroller és kommunikációs kártya változatlanul tartása mellett egyedi igényekre alakított, választható érzékelőkkel szerelt szenzoradatgyűjtő kártyák rendelésére is lehetőség van. Számos változat szerepel a már kialakításra került alapkínálatban, például színérzékelő, nyomásérzékelő, 8 × 8 pixeles hőkamera (GridEye) vagy levegőminőség-érzékelő.

 

Endrich 03

3. ábra Az Endrich külső perifériaként illeszthető szenzor sztenderd kártyacsaládjának elemei (SPI & I2C)

 

 

Az IoT hardvercsalád érzékelőelemei

Ami az érzékelni kívánt fizikai jellemzőket illeti, igyekeztünk alapértelmezésben általános megoldásokat kínálni. A különböző feladatokra szánt szenzorok mind helyet kaptak a család összes elemén, de természetesen vevői igények szerinti egyedi kivitelezésre is van lehetőség. A Micronas Hall-szenzora mágneses tér jelenlétének érzékelésre teszi alkalmassá áramkörünket, ami alapelvárás például okos fogyasztásmérők területén. Az Everlight ALS szenzora látható fény érzékelésére való, minden intelligens világításkapcsoló vezérlése ezzel a szenzorral oldható meg, de kiválóan alkalmazható például készülékburkolat megbontásának érzékelésére, kamionok raktérajtajának nyitásérzékelésére is. A Tateyama és a Semitec NTC termisztorai hőmérsékletmérésre és monitorozásra, a SENSOLUTE rezgésszenzora pedig mozgatás, behatolás vagy gépcsoport indulásának érzékelésére teszi alkalmassá az IoT eszközt. Egy a lapra integrált I2C digitális szenzor a légnyomás nagy pontosságú mérésével beltéren is használható – deciméteres felbontású magasságmérést tesz lehetővé (például lépcsők mászásának követése) – míg maga a kommunikációs eszköz, az MA510 LPWA modem felruházza az áramkört a globális helymeghatározás képességével is.
Legújabb fejlesztésként helyet kapott a felvonultatott „szenzorarzenálban” a BSE MEMS-alapú nagy érzékenységű mikrofonja is, amelyre olyan beágyazott FFT mintaszoftverek kidolgozása van folyamatban, amelyekkel előre rögzített hangmintákkal való összevetés útján felismerhetők olyan jelenségek, mint például üvegtörés (betörésvédelem), láncfűrész- hang (erdőgazdálkodás), de realizálható háttérzajszint mérése, tapskapcsoló és egyéb olyan fizikai jellemző mérése, amelyre célszenzor nem elérhető vagy esetleg túl drága lenne.

 

Endrich 04

4. ábra Az egyedi külső szenzorkártyacsalád néhány eleme

 

 

További perifériák és egyedi IoT kártyaváltozatok

Kiegészítő elemként elkészült két SPI/I2C – szabványos porton keresztül az IoT SBC panelhez illeszthető – minikijelzőpanel. Az egyik egy 0,96” méretű, 128 × 64 pixeles felbontású pmOLED, a másik egy 2,4” méretű, 240 × 320 pixel felbontású TFT panellel szerelve.

 

Endrich 05

5. ábra A lokális adatkijelzéshez fejlesztett külső megjelenítők

 


Az olyan speciális ipari szenzorok illesztésére, mint a 4-20 mA áramhurok, vagy RS485 soros interfésszel ellátott érzékelők két megoldást dolgoztunk ki. Az egyik egy dedikált ipari IoT-illesztő – ami a szenzorok helyett csak a fenti ipari interfészeket, mikrovezérlőt és GSM modemet tartalmazza –, a másik koncepció pedig egy az Endrich IoT SBC fogadására alkalmas passzív alaplap. Ez utóbbi lapon helyet kapott egy teljesítményelektronikai fokozat, amin keresztül az IoT boad GPIO lábain érkező vezérlőjellel nagyobb teljesítményű eszközök kapcsolására van lehetőség (max. 42 V/1 A). Ez utóbbi megoldás lehetővé teszi a kisszámítógép szabványos dobozba helyezését is.

 

Endrich 06

6. ábra A 4-20 mA áramhurok-interfésszel ellátott szenzorok illesztésére és adatainak gyűjtésére, továbbítására alkalmas IoT csomópont

 

 

Endrich 07

7. ábra Az Endrich IoT SBC és az őt befogadó passzív alaplap 4-20 mA / RS485 ipari interfésszel és FET teljesítményfokozattal

 


Minden egyes kártya egyedi azonosítóval van ellátva (modem IMEI szám), és adataikat a termékfejlesztés fázisára ingyenesen hozzáférhető Endrich Cloud Database szolgáltatás fogadja és tárolja, amelyből a szenzorok adataihoz tartozó grafikus megjelenítést egy QR kódon keresztül az Interneten elérhető saját grafikus kijelzőszolgáltatás biztosítja. Ezen az egyszerű felületen a szenzorok szolgáltatta utolsó 100 adat grafikus ábrázolására és gyors áttekintésére van lehetőség.

 

Endrich 08

8. ábra Minden kártya saját vizuális interfésszel rendelkezik

 


Az applikációban a GPS adatokra kattintva a Google Maps szolgáltatásban betöltődik a szenzorkártya pillanatnyi helye is. A koncepció kiterjesztéséhez az Endrich Európa szerte a magyarországi számítástechnikai partnerén, az eNet Kft.-n keresztül igyekszik egyedi megoldást kínálni egy vezérlőtermi szoftver kialakításával, ahol a szenzoradatok fizikai elhelyezkedését grafikusan ábrázolva az értékek a mérés helyén jelennek meg, és a beavatkozó szervek is feltüntetésre kerülnek.

 

Az IoT hardvercsalád részletes ismertetése

Mivel az Endrich GmbH elsősorban alkatrész-disztribútor, a hangsúlyt az IoT területén használatos komponensek, szenzorok, mikrokontrollerek, passzív alkatrészek, tápegység, integrált áramkörök, kommunikációs modulok, antennák és lítiumelemek értékesítésére kívánja helyezni. Ezért az ismertetett számítógép, bár megvásárolható és használható végtermékként is, elsősorban demonstrációs céllal, kiértékelő készletként került forgalomba. Ahhoz, hogy bárki megértse az IoT eszközök működését közzétettük a teljes hardverleírást, az alkalmazott technológiák részletes bemutatásával és a beágyazott szoftver fejlesztéséhez is segítséget nyújtunk egy komplett telepítési útmutatóval és sok mintakóddal. A leírás mind könyv formátumban, mind a témához létrehozott http://e-iot.info portálon (egyelőre angol nyelven) hozzáférhető elsősorban a regisztrált IoT fejlesztőpartnereink számára.

 

Endrich 09

9. ábra A http://e-iot.info portál

 

 

A cikksorozat következő részében az E-IoT SBC-re írt néhány mintaszoftver kerül bemutatásra, részletesen tárgyalva az egyes szenzorok adatainak feldolgozását, azok felhőbe juttatását GSM-alapú keskenysávú kommunikáció segítségével.

 

Endrich KissSzerző: Kiss ZoltánExport Igazgató,
Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

 

 

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1191 Budapest, Corvin krt. 7–13.
Tel.: + 36 1 297 4191
E-mail: hungary@endrich.com
www.endrich.com