Útmutató az IoT- és IIoT-alkalmazásokhoz választható mikrokontroller-fejlesztőkészletekhez

A dolgok internete (IoT) mindenhol jelen van az életünkben. A beágyazott rendszerek fejlesztőmérnökei egy új IoT-eszköz tervezésének megkezdésekor számos tényezőt kell, hogy figyelembe vegyenek, ilyenek például az energiafogyasztás, az érzékelési képességek és a vezeték nélküli csatlakoztathatóság.

A piacra kerülési idő jelentette nyomás tovább nehezíti a helyzetet. Az IoT-fejlesztőkészletek jól használható és kényelmes platformot kínálnak a tervezés alapjait jelentő prototípusok előállításához. A fejlesztőkészletek képességei azonban jelentős eltérést mutatnak egymáshoz képest, így a gondos, az alkalmazás igényeinek megfelelő és a készletek jellemzőit és képességeit figyelembe vevő kiválasztásuk kiemelten fontos.
Írásunkban az új eszközök tervezéséhez használt IoT-fejlesztő­készletek kiválasztása során felmerülő szempontok közül emelünk ki néhányat.

Online korszak

Minden kétséget kizáróan az online korszakát éljük, körülöttünk mindenhol csatlakoztatott eszközök találhatók, egyeseket magunkon viselünk, mások az energiafogyasztásunkat mérik nagy pontossággal, vagy éppen az ajtó elé érkező látogatókról értesítenek. Az ipari gyártási folyamatokban megjelenő IIoT (Industrial Internet of Things – dolgok ipari internete) eszközök átalakítják a gyárak működését, és segítik a berendezések általános hatékonyságát. Alig egy évtized alatt teljesen átalakult a minket körülvevő világgal történő interakciók és a vezérlés mikéntje. Már elképzelni sem tudjuk, hogyan létezhettünk mobiltelefon nélkül, mostanra teljesen hozzászoktunk, hogy az életünk és a munkánk minden részletével kapcsolatban bármikor azonnali információkhoz juthatunk általuk.
Autóink is gyökeres változásokon mennek keresztül, elektronikus vezérlőrendszerüknek köszönhetően folyamatosan frissülő forgalmi információk állnak rendelkezésünkre, figyelmeztetni tudnak az esetleges fennakadásokra. Az internetre csatlakoztatott egészségügyi felügyeleti eszközök lehetővé teszik a betegek számára az otthoni ápolást, amelyek által a klinikai személyzet az otthonuk kényelmében lévő pácienseket is folyamatosan figyelemmel tudja kísérni, és azonnal értesül arról, ha beavatkozás válna szükségessé.
A dolgok internete az ipari területeken is gyorsan megvetette a lábát, és ebben az olyan kormányzati ösztönzők, mint az Ipar 4.0 is nagy segítségére volt, támogatva az automatizálási folyamatok és a hatékonyság javítása, valamint a műveletek racionalizálása iránti igényeket. Manapság már érzékelők hada kíséri figyelemmel az egyes gyártási folyamatokat, és tesz jelentést folyamatosan az automatizálási vezérlő- és elemzőrendszerek számára.
Az IoT/IIoT-eszközök használatának előnyei jelentősek, azonban az eszközök fejlesztését végző mérnököket számos kihívás elé állítja egy új IoT-eszköz megtervezése.

Az IoT-eszközökkel szemben támasztott igények

Az IoT-eszközök ugyan jelentősen eltérnek egymástól, de az alapvető funkcionalitás terén számos szempont azonos marad, legyen szó akár egy ipari termeléshez használt nyomásmérőről vagy egy irodahelyiség foglaltságát figyelő érzékelőről.
Egy új IoT-eszköz vázlatos műszaki specifikációjának meghatározásához szükséges kezdeti tényfeltárás során figyelembe kell venni az alábbiakban kifejtett szempontokat, mivel ezek fogják meghatározni a funkcionális architektúrát és az eszköz kialakítását.

Érzékelés

Az érzékelők érzékelik a minket körülvevő világot, a hőmérséklettől a légnyomáson át az emberek mozgásáig sok mindent. Egy kamera adatokat továbbíthat egy tárgyfelismerést végző gépi tanulási alkalmazásba, és ellenőrizheti, hogy egy címkét helyesen helyeztek-e fel egy palackra. Számos technikai jellegű döntés függ az érzékelés mikéntjétől és gyakoriságától. Az érzékelők költsége, mérete és bonyolultsága szintén fontos szempontok. Egy hőmérsékletmérésre használt termisztor kiegészítő alkatrészeket igényel az analóg mérésekhez, valamint szoftveres feldolgozást a digitális formába történő átalakításhoz. Szintén fontos tényező, hogy hány érzékelőre van szükség az eszköz működéséhez, és milyen gyakran kell lekérdezni azokat.

Csatlakoztathatóság

Hogyan kommunikál az IoT-eszköz a vezérlőrendszerrel? Minden esetben elég megbízható a vezetékmentes kommunikáció vagy szükség lehet vezetékes összeköttetésre? Az érzékelő típusa meghatározza a továbbítandó adatok mennyiségét és gyakoriságát is. Egy vezeték nélküli hálózat robusztus kommunikációs kapcsolatot kínál egy jelentősebb telepítés esetén, de ennek hatékonyságához az összes eszköznek azonos módon kell működnie. Vezeték nélküli kommunikáció esetében a döntési szempontok között a diszkrét kialakítás vagy a típusjóváhagyással rendelkező modul közötti választás is felmerül.

Energiaforrás

Milyen legyen a tervezett IoT-eszköz energiafogyasztási profilja? Bizonyos alkalmazások, kommunikációs csatornák, frekvenciák és vezeték nélküli protokollok jelentős energiaigénnyel rendelkeznek, ami meghaladhatja egy kisebb akkumulátor kapacitását. Esetleg az egyes telepítési helyszíneken megoldható a hálózati tápellátás? Az IoT-érzékelők egyik új trendje a helyi energiatermelési megoldások felé fordul az elemek szükségességének kiiktatása érdekében. Ezek a megoldások jellemzően környezeti energiaforrásokat (napfény, rezgés, hő) használnak egy szuperkondenzátor feltöltésére.

Felhasználói felület

Igényel az IoT-eszköz felhasználói beavatkozást? Mi a helyzet a telepítés és csatlakoztatás során, amikor az eszköz még nem üzemel? Szükség van kijelzőre, egyéb jellegű visszajelzésekre vagy állapotjelző LED-ekre?

Felhőalapú elemző- és irányítórendszerek

A dolgok internetének alapvető működési elve, hogy az eszközök egy vezérlőrendszerhez kapcsolódnak. A csatlakozás módja és a használt protokollok meghatározzák az érzékelő szoftverelemeivel kapcsolatos követelményeket, valamint az érzékelő és a vezérlőrendszer interakciójának módját. Szükséges a folyamatos kommunikáció vagy az adatok időközönkénti csomagokban is elküldhetők?

Tippek és tanácsok az IoT-fejlesztőkészletek kiválasztásához

A fejlesztőkészletek kényelmes és gyors megoldást biztosítanak a beágyazott rendszereket fejlesztő mérnökök számára a prototípusok elkészítéséhez. Írásunk ezen részében néhány olyan szempontot szeretnénk kiemelni, amik fontosak lehetnek a megfelelő készlet kiválasztásakor. A vezető mikrokontroller-gyártók által kínált fejlesztő és kiértékelő készletek igen széles választékban állnak rendelkezésre, ezért a megalapozott döntés érdekében érdemes az egyes tényezőket az alkalmazási követelmények alapján figyelembe venni. Az alábbiakban sorra veszünk néhány olyan jellemzőt, amelyet érdemes megfontolni egy fejlesztőkészlet-platform kiválasztásakor.

Tápellátás

• Milyen az alaplap tápellátása? USB-táp egy kisegítő munkaállomásról? Akkumulátoros? Üzemeltethető a tervezett áramforrásból? Található rajta PMIC (energiavezérlő áramkör), amivel egyéb áramforrások is kipróbálhatók?
• Lehetséges egy árammérő beiktatása a hálózatba, valós idejű energiafogyasztás méréséhez, profilalkotási célokra? Amennyiben igen, ez vonatkozik a panel minden részére, illetve az egyéb modulokra, érzékelőkre stb.?

Érzékelők

• Fel van szerelve az alaplap az alkalmazáshoz tervezett érzékelő­típusokkal?
• Lehetséges további érzékelők hozzáadása, akár perifériás csatlakozással vagy olyan ipari szabványos csatlakozási megoldásokkal, mint a mikroBUS Click?
• Milyen perifériás interfészek állnak rendelkezésre? I2C, UART, SPI, GPIO?
• Rendelkezik-e a panel vagy a mikrokontroller használható analóg-digitális átalakítóval, és szükség van hozzá kiegészítő jelkondicionáló komponensekre?

Csatlakoztathatóság

• Milyen vezetékes, illetve vezeték nélküli csatlakozási lehetőségekkel (Ethernet, Wi-Fi, LoRa, BLE, ISM stb.) rendelkezik a panel?
• Amennyiben a panelen nem megoldott a csatlakozás, könnyen hozzáadható? Javasol (és támogat) a gyártó megfelelő vezeték nélküli modult, és/ vagy rendelkezésre áll egy harmadik féltől származó interfész (mikroBUS Click, stb.)?
• Frissíthető a panel firmware-je vezeték nélküli (over-the-air) megoldásokkal?

Számítási erőforrások

• Rendelkezik a panel olyan mikrokontrollerrel, amit az eszközhöz használni kívánunk? Használt ilyen mikrokontrollert korábban, és rendelkezik a fejlesztéshez szükséges eszközökkel?
• A panel számítási erőforrásai megfelelőek az IoT-alkalmazás,
  a kiszolgáló protokollok és kommunikációs protokollok futtatásához?
• Ha a mikrokontroller rendelkezik integrált vezeték nélküli adó-vevővel, vezérelhetők-e önállóan annak alvó üzemmódjai az energiatakarékosság céljából?
• Milyen beépített biztonsági funkciókkal rendelkezik az MCU, és ezek megfelelőek-e a tervezett alkalmazáshoz?

Felhasználói vezérlés

• A panel rendelkezik bármilyen, hardveres vezérlésére szolgáló eszközzel (gombok, érintésérzékelő csúszkák stb.)?
• Rendelkezik kijelzővel? Szükséges kijelző a végalkalmazáshoz?
• Vezérelhetők felhasználói LED-ek az alkalmazásból? Ha igen, megfelelő mennyiségben, vagy könnyen telepíthetők továbbiak egy kiegészítő GPIO porton keresztül?

Szoftvertámogatás

• Milyen fejlesztői eszköztárat ajánl a gyártó az adott panelhez? Rendelkezik vele?
• Tartalmaz átfogó alaplapi támogatási (BSP) csomagot?
• Milyen további illesztőprogramokra, szoftverkönyvtárakra és firmware-re van szükség, és ezek mentesek-e a jogdíjaktól?
• A panel gyártójától meg kell tudakolni a firmware és a köztes szoftverelemek licenckövetelményeit.
• Mellékelnek a panelhez előre telepített demót, amely bemutatja az alaplap funkcióit? Tartalmazza az olyan népszerű szolgáltatókkal történő kommunikációt, mint például a Microsoft Azure vagy az Amazon AWS?
• Elérhetők egyéb demók és mintaprogramok a panelhez? Létezik már kialakult, elérhető fejlesztői bázis és/vagy elérhetők más partnerek szoftverkönyvtárai?

IoT-fejlesztőkészlet-bemutató

Microchip WFI32-IoT fejlesztőpanel
A Microchip WFI32 (alkatrészazonosítója EV36W50A) egy átfogó, teljesen integrált önálló IoT-fejlesztőpanel (1. ábra).

1. ábra A Microchip EV36W50A IoT-fejlesztőkészlet (Forrás: Microchip)

 
A WFI32-IoT magában foglal egy, a PIC mikrokontoller-családon alapuló Microchip WFI32E01PC Wi-Fi 802.11 vezeték nélküli modult. Integrált érzékelői között megtalálható egy Microchip digital I2C hőmérséklet-érzékelő és egy digitális környezetifény-érzékelő áramkör. A fejlesztők mikroBUS-csatlakozón keresztül további érzékelőket csatlakoztathatnak a panelhez. A vezeték nélküli modul beépített antennával is rendelkezik. A panel tápellátása munkaállomáson keresztül vagy LiPo-akkumulátorral történhet. Az akkumulátor USB-n keresztüli töltéséről egy beépített energiavezérlő integrált áramkör (PMIC) gondoskodik.
A 2. ábra a WFI32-IoT panel funkcionális blokkdiagramját mutatja meg, kiemelve a kártyába integrált Microchip-alkatrészeket.
A panelre egy azonnal használható demó került előre telepítésre, amely olvassa az integrált érzékelők adatait és elküldi azokat az Amazon AWS felhőszolgáltatásba. A demó forráskódja és teljes leírása elérhető egy GitHub repository-ból.

2. ábra A Micro WFI32-IoT EV36W50A fejlesztőpanel funkcionális blokkdiagramja (Forrás: Microchip)

STMicroelectronics STEVAL ASTRA1B multi-connectivity eszközkövető referenciaterv
A 3. ábrán látható a STEVAL ASTRA1B fejlesztőkészlet és referenciaterv. Az eszközt kifejezetten eszközkövető alkalmazások prototípusainak kialakítására és kiértékelésére tervezték, két vezeték nélküli csatlakozómodult is tartalmaz. Az egyik egy STM32WB5MMG kis teljesítményű, rövid hatótávolságú, 2,4 GHz-es vezeték nélküli BLE/ZigBee mikrokontroller-modul, a másik egy nagy hatótávolságú, Ghz alatti tartományú STM32WL55JC vezeték nélküli MCU-modul, ami az LPWAN-kommunikációt (mint például a LoRa) szolgálja.

3. ábra A STEVAL-ASTRA1B eszközkövető fejlesztőkészlet (Forrás: ST)

 
A STEVAL ASTRA1B érzékelők átfogó választékát tartalmazza, amelyek számos környezeti és mozgásparaméter mérésére képesek. Egy GNSS-modul szolgáltatja a kültéri helymeghatározási adatokat. A panelen megtalálható továbbá egy STSAFE biztonsági egység és egy 480 mAh-s akkumulátor. A készlet egy azonnal használható demót is tartalmaz, ami egy eszközkövető irányítóprogramból és egy okostelefonos alkalmazásból áll.
A Silicon Labs xG24-RB4188A plug-in antenna-diverzitási modul 2,4 Ghz-es vezeték nélküli alkalmazások prototípusainak előállításához használható (4. ábra). Csatlakoztatható a Silicon Labs BRD4001 vezeték nélküli alappanelhez. A modulban egy Silicon Labs EFR32 Wireless Gecko egylapkás rendszer, egy RF-kapcsoló, egy impedanciaillesztő és két SMA antennacsatlakozó található. Az EFR32 RF-kimenete +20 dBm.

4. ábra A Silicon Labs xG24-RB4188A antenna-diverzitási modul egy Silicon Labs Wireless Kit Pro alaplapra szerelve (Forrás: Silicon Labs)

SEMTECH LR1120 fejlesztőkészletek
A SEMTECH LR1120 vezeték nélküli mikrokontrollerre épülő LoRa LPWAN alkalmazások prototípusainak előállításáhoza SEMTECH egy sor LR1120 fejlesztőkészletet kínál, mint például az 5. ábrán láthatót.

5. ábra A SEMTECH LR1120 fejlesztő­készletek egyik példánya (Forrás: SEMTECH)

 
A készletek ipari, tudományos és orvosi (ISM) szub-GHz-es spektrumnak megfelelő helyi változatokban állnak rendelkezésre.
Az LR1120 alkalmas a több régióra kiterjedő eszköz-helyzetmeghatározási, készletgazdálkodási és lopásmegelőzési alkalmazások kiszolgálására.
Írásunkban korábban említettük a fejlesztőpanelekhez történő további érzékelők és perifériák hozzáadásának lehetőségét. Ahogyan a Microchip panel ismertetésekor bemutattuk, a panel egy mikroBUS-aljzattal rendelkezik. A Mikroe által kifejlesztett mikroBUS hamar ipari szabvánnyá vált, számos félvezetőgyártó használja fejlesztő- és kiértékelőkészletein. A mikroBUS az SPI, UART és I2C soros csatlakoztathatóságot, valamint a táp-, az analóg és PWM-jeleket együtt egy kompakt aljzatformátumba integrálja. A Mikroe több száz olyan Click panelt fejlesztett ki, amelyek ezt a kényelmes megoldást biztosítják.
Az egyik ilyen a Mikroe Ultra-Low Press Click. Alacsony nyomású pneumatikus mérésekhez tervezték, egy I2C-interfészen keresztül kommunikáló TE Connectivity SM8436 nyomásérzékelőt tartalmaz (6. ábra).

6. ábra A Mikroe Ultra-Low Press Click (Forrás: Mikroe)

Előrelépés IoT-fejlesztőkészlettel

Az IoT-alkalmazások prototípus-előállításának feladata jelentősen könnyebbé vált a fejlesztőkészleteknek köszönhetően. Írásunkban olyan kérdésekre próbáltunk rávilágítani, amiket a beágyazott rendszereket tervező mérnököknek érdemes figyelembe venniük a megfelelő fejlesztőkészlet kiválasztása érdekében. Természetesen a most tárgyalt témák mellett mindig lesznek figyelembe veendő alkalmazásspecifikus szempontok is.

Mit szeretne fejleszteni?

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics

Mouser Electronics
Franchised Distributor
www.mouser.com
Kövessen bennünket Twitteren:
https://twitter.com/MouserElecEU