Wybór zestawów deweloperskich mikrokontrolerów do aplikacji IoT i IIoT – przewodnik wprowadzający

fot. Mark Patrick, Director of Technical Content, EMEA w Mouser Electronics

Internet rzeczy (IoT) jest wszędzie wokół nas. Rozpoczęcie nowego projektu IoT wymaga od inżynierów zajmujących się rozwojem systemów wbudowanych zwrócenia szczególnej uwagi na wiele czynników, takich jak zużycie energii, możliwości czujników i łączność bezprzewodowa. Sytuację dodatkowo utrudnia presja jak najszybszego wprowadzenia na rynek. Zestawy deweloperskie IoT stanowią funkcjonalną i wygodną platformę do prototypowania, na której można oprzeć projekt.

Możliwości zestawów programistycznych IoT mogą być jednak bardzo zróżnicowane, dlatego należy zwrócić szczególną uwagę na wymagania aplikacji oraz funkcjonalność zestawu. W tym artykule omówiono kilka z wielu kwestii związanych z wyborem zestawu deweloperskiego IoT dla nowego projektu.

Nie ma wątpliwości, że żyjemy w epoce online. Połączone urządzenia są wszędzie wokół nas. Niektóre nosimy, inne pomagają dokładnie monitorować zużycie energii elektrycznej, a jeszcze inne powiadamiają nas o gościach podchodzących do drzwi. W przypadku przemysłowych procesów produkcyjnych pojawienie się przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) zmienia sposób działania fabryk i pomaga zwiększyć ogólną efektywność urządzeń. W ciągu zaledwie dekady zmieniliśmy sposób interakcji z otaczającym nas światem i kontroli nad nim. Kiedyś zdumiewało nas, jak wcześniej mogliśmy radzić sobie bez telefonów komórkowych; teraz przyzwyczailiśmy się do natychmiastowego dostępu do informacji o różnych aspektach naszego życia i pracy.

Radykalne zmiany zachodzą również w motoryzacji, a aktualne co do minuty informacje o natężeniu ruchu ostrzegają o potencjalnych opóźnieniach. Podłączony do Internetu sprzęt do monitorowania stanu zdrowia pozwala pacjentom odpoczywać w zaciszu własnych domów i mieć pewność, że personel medyczny kontroluje ich stan i jest pod ręką na wypadek koniecznej interwencji.

Internet rzeczy (IoT) szybko przyjął się w przemyśle, gdy inicjatywy rządowe, takie jak Przemysł 4.0, zwiększyły zapotrzebowanie na automatyzację, poprawę wydajności procesów i usprawnienie operacji. Dziś cała armia czujników monitoruje i raportuje stan każdego etapu procesu, przekazując dane do systemu automatycznego sterowania i analizy.

Korzyści z wdrożeń IoT/IIoT są znaczne, lecz rozwój urządzeń IoT stawia szereg wyzwań z punktu widzenia inżynierii elektronicznej.

Zastosowania IoT mogą być bardzo różne, lecz podstawowy zestaw wymagań funkcjonalnych zazwyczaj pozostaje taki sam, niezależnie od tego, czy projektujemy czujnik ciśnienia dla procesu przemysłowego, czy czujnik zajętości pomieszczenia w biurze.

We wstępnym ustaleniu faktów dla zarysu specyfikacji technicznej nowego urządzenia IoT należy wziąć pod uwagę wszystkie wymienione poniżej aspekty, ponieważ będą one decydować o architekturze funkcjonalnej i projekcie.

Wykrywanie: Czujniki wykrywają stan otaczającego nas świata – od temperatury przez ciśnienie powietrza aż po ruchy ludzi. Przykładowo, kamera może przesyłać strumieniowo dane do aplikacji uczenia maszynowego na potrzeby wykrywania obiektów i potwierdzenia poprawnego naklejania etykiet na butelkach. Od tego, co jest wykrywane i jak często, zależy szereg decyzji technicznych. Kolejne kwestie to koszt, rozmiary i złożoność czujnika. Termistor używany do pomiaru temperatury będzie wymagał dodatkowych komponentów w domenie analogowej i pewnego oprogramowania do przetwarzania przed konwersją do postaci cyfrowej. Następnym ważnym czynnikiem jest liczba potrzebnych czujników i częstotliwość ich odpytywania.

Łączność: W jaki sposób urządzenie IoT będzie współdziałać z systemem sterującym hosta? Czy niezawodna komunikacja bezprzewodowa jest dostępna w każdym przypadku użycia, czy też preferowana jest komunikacja przewodowa? Rodzaj czujnika narzuca również ilość i częstotliwość przesyłania danych. Technologia bezprzewodowych sieci kratowych (mesh) może zapewnić solidniejsze łącze komunikacyjne w dużych instalacjach, lecz wymaga, aby wszystkie urządzenia IoT były dostosowane do tego trybu pracy. W przypadku komunikacji bezprzewodowej należy też zdecydować, czy tworzyć własny projekt w oparciu o elementy dyskretne, czy też wybrać moduł z homologacją typu.

Źródło zasilania: Jaki może być prawdopodobny profil zużycia energii przez urządzenie IoT? Niektóre aplikacje, częstotliwości komunikacyjne i protokoły bezprzewodowe wymagają znacznej mocy, wykraczającej poza możliwości małego akumulatora. Może dla niektórych scenariuszy wdrożenia dostępne będzie zasilanie sieciowe? Nowym trendem w czujnikach IoT są technologie pozyskiwania energii z całkowitym wyeliminowaniem akumulatorów. Zamiast nich energia jest zbierana z zewnętrznych źródeł, takich jak światło słoneczne, drgania czy ciepło i magazynowana w superkondensatorze.

Interfejs użytkownika: Czy urządzenie IoT będzie wymagało interakcji ze strony użytkownika? A co podczas instalacji i łączenia się z systemem hosta, gdy nie jest uruchomione? Czy wymagany jest wyświetlacz, jakaś inna forma sygnalizacji albo diody LED stanu?

Aplikacje do analiz i sterowania w chmurze: Istotą IoT jest to, że urządzenia łączą się z kontrolującym je systemem hosta. Metoda łączności i protokoły określą wymagania programowe czujnika i sposób jego interakcji z hostem. Czy wymagane jest stałe łącze do strumieniowego przesyłania danych, czy też można je przesyłać partiami w regularnych odstępach czasu? 

Dla inżynierów systemów wbudowanych zestawy deweloperskie to wygodne narzędzie do szybkiego prototypowania projektu. W tej części artykułu podkreślamy pewne czynniki, które inżynierowie powinni wziąć pod uwagę przy wyborze odpowiedniego zestawu. Dostępny jest szeroki asortyment zestawów deweloperskich i ewaluacyjnych IoT od wiodących dostawców mikrokontrolerów, więc najlepiej jest podjąć świadomą decyzję w oparciu o wymogi aplikacji omówione powyżej. Poniżej znajduje się lista funkcji, które należy sprawdzić przy wyborze platformy zestawu deweloperskiego.

Zasilanie: 

• W jaki sposób zasilana jest płytka? Łączem USB ze stacji roboczej hosta? Bateryjnie? Czy może być zasilana z przewidzianego źródła i czy zawiera układ PMIC, do którego można uzyskać dostęp, aby wypróbować inne źródła zasilania?
• Czy można włączyć w obwód sondę prądową do pomiaru zużycia energii w czasie rzeczywistym na potrzeby profilowania? Jeśli tak, czy będzie to obejmować wszystkie elementy na płytce oraz ewentualne dodatkowe moduły, czujniki itp.?

Czujniki:

• Czy płytka jest wyposażona w czujniki takich typów, jakich używać będzie aplikacja?
• Czy można podłączyć dodatkowe czujniki i jak? Złączem urządzenia peryferyjnego, czy też w standardowym formacie rozszerzenia, np. mikroBUS Click?
• Jakie interfejsy urządzeń peryferyjnych są dostępne – I²C, UART, SPI, GPIO?
• Czy płytka lub mikrokontroler ma przetwornik A/C, którego można użyć i czy wymagane są jakieś dodatkowe elementy kondycjonujące sygnał?

Łączność:

• Jakimi opcjami łączności przewodowej/bezprzewodowej dysponuje płytka (Ethernet, Wi-Fi, LoRa, BLE, ISM itp.)?
• Jeśli sama płytka nie zapewnia łączności, czy można ją łatwo dodać? Czy producent zaleca i wspiera odpowiedni moduł bezprzewodowy lub czy dostępna jest opcja interfejsu innej firmy (mikroBUS Click itp.)?
• Czy firmware płytki umożliwia aktualizacje oprogramowania układowego drogą bezprzewodową?

Zasoby obliczeniowe:

• Czy na płytce znajduje się mikrokontroler, którego projektant zamierza używać? Czy korzystał z niego już wcześniej i czy ma już odpowiednie zestawy narzędzi programistycznych?
• Czy zasoby obliczeniowe płytki są wystarczające do uruchomienia aplikacji IoT, protokołów hosta i stosów protokołów komunikacyjnych?
• Jeśli mikrokontroler ma zintegrowany bezprzewodowy moduł nadawczo-odbiorczy, czy można niezależnie kontrolować jego tryby uśpienia w celu oszczędzania energii?
• Jakie wbudowane funkcje bezpieczeństwa posiada MCU i czy są one odpowiednie do danego zastosowania?
• Elementy sterujące użytkownika:
• Czy płytka jest wyposażona w jakieś przyciski, suwaki dotykowe lub inne funkcje sprzętowe umożliwiające sterowanie przez użytkownika?
• Czy jest dostępny wyświetlacz? Czy jest on potrzebny aplikacji?
• Czy z poziomu kodu dostępne są jakiekolwiek diody LED użytkownika? Czy jest ich wystarczająco dużo, czy też można je szybko dodać, korzystając z wolnego portu GPIO?

Wsparcie oprogramowania:

• Jaki jest zalecany zestaw narzędzi programistycznych dla tej płytki? Czy projektant już go ma?
• Czy rozbudowany pakiet wsparcia płytki (BSP) jest zawarty w ofercie?
• Jakie dodatkowe sterowniki, biblioteki i oprogramowanie układowe są wymagane i czy są one wolne od opłat licencyjnych?
• Wymagania licencyjne oprogramowania układowego i pośredniczącego należy sprawdzić u producenta płytki.
• Czy płytka jest dostarczana z fabrycznie załadowaną wersją demonstracyjną oprogramowania, prezentującą jej funkcje? Czy obejmuje ona komunikację z popularnymi dostawcami usług, takimi jak Microsoft Azure lub Amazon AWS?
• Czy dla płytki dostępne są inne wersje demonstracyjne i przykłady kodu? Czy istnieje ekosystem bibliotek i partnerów rozwojowych?

Płytka rozwojowa WFI32-IoT firmy Microchip

Płytka WFI32 firmy Microchip o numerze referencyjnym części EV36W50A to kompleksowa, w pełni zintegrowana, samodzielna płytka rozwojowa IoT (Ilustracja 1).

Ilustracja 1. Zestaw rozwojowy IoT EV36W50A firmy Microchip (źródło: Microchip)

Płytka WFI32-IoT zawiera moduł bezprzewodowy Wi-Fi 802.11 WFI32E01PC firmy Microchip, oparty na rodzinie mikrokontrolerów PIC. Zainstalowane czujniki obejmują cyfrowy układ scalony I2C do pomiaru temperatury firmy Microchip oraz cyfrowy układ scalony oświetlenia otoczenia. Programiści mogą podłączać dodatkowe czujniki i urządzenia peryferyjne poprzez gniazdo mikroBUS. Bezprzewodowy moduł MCU jest też wyposażony w zintegrowaną antenę. Płytka może być zasilana ze stacji roboczej lub z akumulatora LiPo. Wbudowany układ PMIC umożliwia ładowanie akumulatora przez USB.

Ilustracja 2 przedstawia funkcjonalny schemat blokowy płytki WFI32-IoT, na którym wyróżniono wbudowane komponenty firmy Microchip.

Ilustracja 2. Funkcjonalny schemat blokowy płytki rozwojowej WFI32-IoT EV36W50A (źródło: Microchip)

Na płytce znajduje się fabrycznie załadowany, gotowy do użycia (OOB) obraz demonstracyjny oprogramowania, które odczytuje dane z wbudowanych czujników i wysyła je do chmury Amazon AWS. Kod demonstracyjny i pełne instrukcje są dostępne w repozytorium GitHub.

Projekt referencyjny do śledzenia zasobów o różnych możliwościach łączności STEVAL-ASTRA1B firmy STMicroelectronics.

Ilustracja 3 przedstawia zestaw rozwojowy i projekt referencyjny STEVAL-ASTRA1B. Zestaw ten, zaprojektowany specjalnie do prototypowania i ewaluacji aplikacji do śledzenia zasobów, obejmuje dwa moduły łączności bezprzewodowej: moduł mikrokontrolera bezprzewodowego 2,4 GHz BLE/ZigBee STM32WB5MMG o małej mocy i krótkim zasięgu oraz bezprzewodowy moduł MCU Sub-GHz dalekiego zasięgu STM32WL55JC do komunikacji LPWAN, np. LoRa.

Ilustracja 3. Zestaw rozwojowy do śledzenia zasobów STEVAL-ASTRA1B (źródło: ST)

STEVAL-ASTRA1B zawiera bogaty zestaw czujników, umożliwiający pomiar wielu parametrów środowiska i ruchu. Moduł GNSS dostarcza dane lokalizacji na zewnątrz budynków. Inne elementy funkcjonalne płytki to: bezpieczny element STSAFE, akumulator 480 mAh oraz oprogramowanie demonstracyjne OOB, składające się z pulpitu do śledzenia zasobów i aplikacji na smartfony.

xG24-RB4188A firmy Silicon Labs to moduł plug-in dywersyfikacji anten do prototypowania aplikacji bezprzewodowych 2,4 GHz (Ilustracja 4). Może zostać podłączony do bezprzewodowej płytki startowej BRD4001 firmy Silicon Labs. Moduł zawiera układ SoC Silicon Labs EFR32 Wireless Gecko, przełącznik RF, obwód dopasowania impedancji i dwa złącza antenowe SMA. Moc wyjściowa RF z EFR32 wynosi +20 dBm.

Ilustracja 4. Moduł dywersyfikacji anten xG24-RB4188A firmy Silicon Labs, zamontowany na płytce głównej zestawu Wireless Kit Pro Silicon Labs (źródło: Silicon Labs)

Zestawy rozwojowe LR1120 firmy SEMTECH

Do prototypowania opartych na bezprzewodowym mikrokontrolerze LR1120 firmy SEMTECH aplikacji LoRa LPWAN, SEMTECH oferuje szereg zestawów rozwojowych LR1120, jak na ilustracji 5.

Ilustracja 5. Przykład zestawów rozwojowych LR1120 firmy SEMTECH (źródło: SEMTECH)

Zestawy są dostępne w wariantach regionalnych zgodnych z pasmem sub-GHz ISM (Industrial, Scientific, Medical).

Urządzenie LR1120 sprawdza się w wieloregionalnych zastosowaniach związanych z lokalizacją zasobów, zarządzaniem stanami magazynowymi i zapobieganiem kradzieży.

Wcześniej w niniejszym artykule podkreślono możliwość podłączania dodatkowych czujników i urządzeń peryferyjnych do płytki rozwojowej. Jak wspomniano w prezentacji płytki firmy Microchip, jest ona wyposażona w gniazdo mikroBUS. Gniazdo mikroBUS, opracowane przez firmę Mikroe, szybko stało się standardem branżowym, który wielu dostawców półprzewodników stosuje w swoich płytkach rozwojowych i ewaluacyjnych. Standard mikroBUS zapewnia łączność szeregową SPI, UART i I²C wraz z sygnałami zasilania, analogowymi i PWM w kompaktowym formacie gniazda. Firma Mikroe opracowała setki płytek Click, które wykorzystują ten praktyczny format.

Przykładem jest płytka Ultra-Low Press Click firmy Mikroe. Zaprojektowana do pomiarów pneumatycznych niskiego ciśnienia, zawiera ona czujnik ciśnienia TE Connectivity SM8436, który komunikuje się za pomocą interfejsu I²C (Ilustracja 6).

Ilustracja 6. Płytka Ultra-Low Press Click firmy Mikroe (źródło: Mikroe)

Dzięki dostępności płytek rozwojowych prototypowanie zastosowań IoT stało się znacznie łatwiejsze. W niniejszym krótkim artykule zwrócono uwagę na kilka kwestii, które inżynierowie ds. systemów wbudowanych powinni rozważyć przy wyborze odpowiedniej płytki rozwojowej. Poza wymienionymi tematami należy też uwzględnić wszelkie aspekty specyficzne dla konkretnej aplikacji.

Co zamierzasz tworzyć?