Contingut patrocinat: solucions integrades de sola placa per a un desenvolupament sense fils fàcil
La connectivitat sense fil proporciona el camí més fàcil al núvol que permet accedir a IoT per a una àmplia gamma d'aplicacions. Mitjançant l’assistència sense fils, no cal fer servir cables a la ubicació de cada dispositiu i protocols intel·ligents com el Bluetooth faciliten la configuració de dispositius des de pràcticament qualsevol lloc.
Opcions de tecnologia sense fils
Els equips d’enginyeria tenen ara accés a una àmplia gamma d’opcions de connectivitat sense fil adequades per a la seva aplicació.
A curt abast: Per a l'ús de curt abast a la llar o l'oficina, Bluetooth i WiFi abasten la gamma de funcions necessàries per a poca potència i gran amplada de banda. Fins i tot en instal·lacions més grans, com dins d’un gran magatzem o entorn de la botiga, l’ús de les passarel·les WiFi i la xarxa de malla en el cas de xarxes de baix consum com Bluetooth o Zigbee, amplien molt el rang operatiu.
Gamma mitjana: Les xarxes sense fils com LoRaWAN i Sigfox permeten accedir a dispositius a intervals de desenes de quilòmetres a un cost molt baix. Aquestes xarxes estan dissenyades per transportar petites quantitats de dades, donant suport a taxes de fins a 50kb / s en el cas de LoRaWAN, i a diferència dels serveis mòbils, aquestes xarxes no facturen els bytes. Els usuaris poden operar les seves pròpies passarel·les, que poden ser necessàries per al servei en llocs remots, però també poden oferir opcions on la cobertura cel·lular pot no ser fiable. Els proveïdors de serveis com The Things Network han construït xarxes públiques basades en LoRaWAN que abasten ciutats senceres i els seus voltants. La Xarxa de Coses té en funcionament més de 8.000 passarel·les que cobreixen moltes grans ciutats i suburbis d'Europa occidental i zones densament poblades dels Estats Units.
De llarg abast / generalitzat: Quan es necessita una cobertura més estesa i l’aplicació pot suportar la facturació de pagament per ús, els dissenyadors poden fer ús de xarxes mòbils 2G, 3G i 4G.
L’historial de la connectivitat sense fils
Anteriorment, un problema que es van enfrontar a molts dissenyadors va ser que el desenvolupament d’interfícies RF eficients que permetin la connectivitat sense fils dura i requereix temps. Els senyals d’alta freqüència que s’han de transmetre des de l’antena al transceptor necessiten una manipulació delicada per assegurar una elevada relació entre senyal i soroll. L’antena en sí pot tenir un impacte dramàtic en el rendiment, amb petits canvis en la forma i l’estructura significant la diferència entre un transceptor de radiofreqüència que funciona a l’interval desitjat i un que només és efectiu a distàncies curtes. A més, els sistemes sense fils han de passar proves estrictes que determinin si el sistema interferirà amb altres usuaris, fins i tot en bandes que no necessiten una llicència de ràdio específica, com les bandes de 2,4 GHz utilitzades per Bluetooth, WiFi i altres.
Els ordinadors de taula única tradicionals (SBC) no tenien connectivitat sense fils, obligant els equips de disseny a desenvolupar mòduls personalitzats, però a mesura que es desenvolupaven ecosistemes al voltant de Raspberry Pi, BeagleBone i Arduino, es van desenvolupar mòduls preparats que es podrien utilitzar amb els SBC bàsics. Les opcions incloïen, per exemple, el mòdul WiPi del Raspberry Pi, que es connecta al mòdul del processador mitjançant un port USB. El BeagleBone i l'Arduino preveien opcions de mòduls sense fil similars, connectant-se a través de connectors de capçalera pin.
Tot i que l'ús de mòduls sense fils addicionals va reduir el temps associat al disseny de maquinari, no va tallar el temps associat a altres aspectes de la integració sense fils. En molts casos, el dissenyador hauria de dur a terme les seves pròpies proves per assegurar el compliment de la legislació sobre les emissions de RF a les zones on volien vendre productes.
Una nova demanda en termes de temps i cost prové del procés d’integració del programari. Hi ha moltes opcions de transceptor de silici, especialment amb els populars protocols sense fils de baix abast de baix consum, com ara Bluetooth o WiFi. El suport del protocol del mòdul sense fil el proporciona un SoC dedicat que gestiona diverses biblioteques de firmware, però en alguns casos, pot ser que les capes de protocol d’alt nivell puguin haver d’executar-se a la SBC amfitriona, amb algun tipus de protocol en sèrie propietari que s’utilitza per passa dades entre les capes. L’integrador seria l’encarregat de reunir aquests elements de programari de manera cohesionada.
Les solucions actuals per a la connectivitat sense fils
A mesura que la connectivitat sense fils s'ha popularitzat, els fabricants de SBC i entorns integrats de desenvolupament de programari de maquinari com Arduino han adoptat diverses vies cap a l'aportació sense fil a les seves línies de productes. Les opcions inclouen solucions integrades que aprofiten la integració proporcionada per una gamma creixent de microcontroladors que incorporen suport directe per a protocols sense fil. Altres utilitzen arquitectures modulars per proporcionar als dissenyadors una selecció d’opcions de connectivitat sense fils que es poden utilitzar amb una placa base comuna.
L'ús de mòduls integrats aporta diversos avantatges clau, entre els quals, que la SBC completa, inclosa la connectivitat sense fils, s'ha provat per complir la legislació sobre emissions RF en tots els territoris per als quals els mòduls estan disponibles a la venda. L’equip d’enginyeria també pot aprofitar el firmware preintegrat que, en alguns casos, pot fer que la connectivitat sense fils sigui tan senzilla com enviar dades a través d’un port sèrie i, sovint, les solucions integrades ofereixen un consum d’energia inferior a les combinacions de plaques base i mòduls addon perquè els proveïdors han pogut aprofitar al màxim el processament disponible tant en el nucli central MCU com en els nuclis de processador dels transceptors sense fil.
El resultat de la integració és menor temps global de desenvolupament i menors factors de forma en comparació amb dissenys basats en entrepans de diverses juntes. Molt sovint el cost es redueix a causa d’una major integració i els desenvolupadors poden continuar aprofitant l’encapçalament i les interfícies similars per connectar mòduls de sensors personalitzats.
Els desenvolupadors tenen accés a potents solucions d’alta integració com ara l’ordinador Raspberry Pi 4 Model B (anterior). Ofereix increments innovadors en la velocitat del processador, el rendiment multimèdia, la memòria i la connectivitat (en comparació amb la generació anterior de Raspberry Pi 3 Model B +), alhora que manté la compatibilitat cap enrere i el consum d'energia similar. Les característiques clau del producte inclouen un processador Cortex-A72 (ARM v8) quad-core de 64 bits d’alt rendiment, suport de doble pantalla a resolucions de fins a 4K mitjançant un parell de ports micro-HDMI, decodificació de vídeo de maquinari de fins a 4Kp60, 4 GB de RAM, LAN inalàmbrica de 2,4 / 5,0 GHz de doble banda, Bluetooth 5.0, Gigabit Ethernet, USB 3.0 i PoE (mitjançant un complement addicional PoE HAT). La LAN sense fils de doble banda i el Bluetooth disposen de certificació de conformitat modular, permetent dissenyar la placa en productes finals amb proves de compliment significativament reduïdes, millorant tant el cost com el temps de comercialització.
El BeagleBone Black (a sota) substitueix el controlador Ethernet del disseny original SBC amb una interfície WiFi de 2,4 GHz i un transceptor Bluetooth 4.1 i BLE. El mòdul integrat es construeix al voltant del SIP d'Octavo Systems. Això combina un processador Arm Cortex-A8 amb 512 GB de memòria DDR d'alta velocitat i 4 GB de flash. Per donar suport a aplicacions que necessiten processament d’I / O d’alta velocitat, el processador elaborat amb TI està suportat per dues unitats programables en temps real (PRU). Les PRUs descarreguen tasques que necessiten processament de baixa latència del processador Arm, proporcionant una sala major per a un sistema operatiu, una interfície d'usuari i funcions de gestió del sistema.
Per a dissenys més senzills, el Particle Photon combina un microcontrolador Cortex-M3 de STMicroelectronics amb un controlador Cypress WiFi: el mateix tipus que s’utilitza en dispositius de casa intel·ligent com Nest Protect i Amazon Dash. El Particle Electron agafa el mateix complex de processador principal i l’aplica a un transceptor cel·lular 3G, proporcionant la capacitat de construir nodes IoT que no necessiten una passarel·la local per connectar-se al núvol.
Les solucions modulars proporcionen una altra ruta per a connectar sense fils a un sistema basat en SBC. Amb la gamma de productes d’Arduino, l’equip de desenvolupament pot triar entre una varietat de mòduls (coneguts com a Shields a l’ecosistema Arduino) per afegir una interfície RF a una placa base. Els Shields de la família MKR afegeixen connectivitat de xarxa sense fil local o àmplia. Els dos MKR 1000 i 1010 inclouen un transceptor WiFi. El WAN 1300 proporciona connectivitat LoRA i l'accés GSM 1400 a les moltes xarxes mòbils disponibles a tot el món. A més, el MKRFOX 1200 actua com a interfície amb la xarxa de gran potència de baixa potència SigFox.
Cadascun d'aquests escuts es pot muntar en una placa portadora com el Genuino Zero o el Due mitjançant els connectors de la capçalera. Una característica notable de moltes de la família de mòduls MKR per a connectivitat sense fils tenen el seu propi microcontrolador de 32 bits basat en el nucli Arm Cortex-M0 +. Els desenvolupadors poden aprofitar el M0 + per descarregar el processament de paquets, com ara el xifrat i la compressió, del processador principal del transportista. De forma alternativa, dispositius com el MKR1000 es poden utilitzar com a mòduls autònoms en sistemes limitats a l'espai, amb els encapçalaments dels pins per eliminar el volum global.
Els kits de desenvolupament proporcionen altres opcions per a equips d’enginyeria, principalment per a aquells que vulguin dissenyar mòduls personalitzats per a la producció de volum. Els kits de desenvolupament estan dissenyats perquè els equips es posin en funcionament el més ràpidament possible. Per exemple, el kit de desenvolupament element14 per al sensor SimpleLink al Cloud Linux Gateway proporciona una solució de final a extrem. El kit conté tots els components necessaris per crear una xarxa de sensors completa, inclosa una solució de passarel·la basada en la placa BeagleBone Black augmentada amb WiFi, així com un kit LaunchPad CC1350 per actuar com a node de sensor de llarg abast.
Gràcies a una rica cartera de plataformes que van des de kits de prototipat fins a SBC fora de la plataforma que es poden utilitzar en sistemes de producció, els equips d’enginyeria poden aprofitar al màxim els nous models de negoci possibles per la connectivitat sense fils en l’època del IoT. i oferir solucions molt diferenciades sense haver de fer front a les complexitats del disseny de radiofreqüència.
Per Ankur Tomar, responsable de màrqueting de solucions regionals, Farnell