Спонсированный контент: интегрированные одноплатные решения для простой беспроводной разработки
Беспроводная связь обеспечивает самый простой путь к облаку, предоставляя доступ к IoT для широкого спектра приложений. Благодаря поддержке беспроводной связи нет необходимости прокладывать кабели для определения местоположения каждого устройства, а интеллектуальные протоколы, такие как Bluetooth, упрощают настройку устройств практически из любого места.
Варианты беспроводных технологий
Инженерные группы теперь имеют доступ к широкому спектру возможностей беспроводного подключения, подходящих для их применения.
На короткие расстояния: Для использования на коротких расстояниях дома или в офисе Bluetooth и WiFi охватывают целый ряд функций, необходимых для низкой мощности и высокой пропускной способности. Даже в более крупных установках, например, в крупных складах или магазинах, использование шлюзов WiFi и ячеистых сетей в сетях с низким энергопотреблением, таких как Bluetooth или Zigbee, значительно расширяет рабочий диапазон.
СЧ: Беспроводные сети, такие как LoRaWAN и Sigfox, позволяют получать доступ к устройствам на расстояниях в десятки километров по очень низкой цене. Эти сети предназначены для передачи небольших объемов данных, поддерживая данные со скоростью до 50 Кбит / с в случае LoRaWAN, и в отличие от услуг сотовой связи, эти сети не оплачиваются байтом. Пользователи могут управлять своими собственными шлюзами, которые могут потребоваться для обслуживания в удаленных местах, но также предоставляют варианты, где покрытие сотовой связи может быть ненадежным. Поставщики услуг, такие как The Things Network, создали общедоступные сети на основе LoRaWAN, которые охватывают целые города и их пригороды. В настоящее время сеть Things Network насчитывает более 8000 шлюзов, охватывающих многие крупные города и пригороды Западной Европы и густонаселенные районы США.
Дальний / широко распространены: Когда требуется более широкое покрытие и приложение может поддерживать оплату за использование, разработчики могут использовать сотовые сети 2G, 3G и 4G.
История беспроводной связи
Проблема, с которой сталкивались многие дизайнеры в прошлом, заключалась в том, что разработка эффективных РЧ-интерфейсов для обеспечения беспроводной связи является сложной и трудоемкой. Высокочастотные сигналы, которые необходимо передавать от антенны к приемопередатчику, требуют деликатной обработки для обеспечения высокого отношения сигнал / шум. Сама антенна может оказать существенное влияние на производительность, при этом небольшие изменения в форме и структуре означают разницу между РЧ-приемопередатчиком, который работает в желаемом диапазоне, и тем, который эффективен только на коротких расстояниях. Кроме того, беспроводные системы должны проходить строгие тесты, которые определяют, будет ли система создавать помехи другим пользователям, даже в диапазонах, которые не требуют специальной лицензии на радиосвязь, таких как диапазоны 2,4 ГГц, используемые Bluetooth, WiFi и другими.
Традиционные одноплатные компьютеры (SBC) не имели беспроводного подключения, что заставляло команды разработчиков разрабатывать собственные модули, но по мере разработки экосистем вокруг Raspberry Pi, BeagleBone и Arduino были разработаны готовые модули, которые можно было бы использовать с основными SBC. В число опций входит, например, модуль WiPi для Raspberry Pi, подключаемый к процессорному модулю через порт USB. BeagleBone и Arduino предусмотрели аналогичные варианты беспроводных модулей, соединяющихся через разъемы с контактными разъемами.
Хотя использование дополнительных беспроводных модулей сократило время, связанное с проектированием аппаратного обеспечения, оно не сократило время, связанное с другими аспектами беспроводной интеграции. Во многих случаях разработчик должен был бы провести собственное тестирование, чтобы обеспечить соответствие законодательству, касающемуся радиочастотного излучения в местах, где он хотел продавать продукцию.
Дальнейший спрос с точки зрения времени и затрат пришел из процесса интеграции программного обеспечения. Существует множество вариантов применения кремниевого трансивера, особенно с популярными беспроводными протоколами малого радиуса действия, такими как Bluetooth или WiFi. Поддержка протокола в беспроводном модуле обеспечивается выделенным SoC, который сам запускает несколько библиотек встроенного программного обеспечения, но в некоторых случаях высокоуровневые уровни протокола могут запускаться на хосте SBC, а некоторая форма проприетарного последовательного протокола используется для передать данные между слоями. Интегратор будет нести ответственность за объединение этих программных элементов.
Современные решения для беспроводной связи
Поскольку беспроводная связь стала более популярной, производители SBC и интегрированные среды разработки аппаратного и программного обеспечения, такие как Arduino, пошли различными путями, чтобы обеспечить беспроводную поддержку в своих продуктовых линейках. Выбор включает интегрированные решения, которые используют преимущества интеграции, обеспечиваемой растущим диапазоном микроконтроллеров, которые включают прямую поддержку беспроводных протоколов. Другие используют модульные архитектуры, чтобы предоставить проектировщикам выбор вариантов беспроводного подключения, которые можно использовать с общей базовой платой.
Использование интегрированного модуля дает несколько ключевых преимуществ, не последним из которых является то, что весь SBC, включая беспроводную связь, был протестирован на соответствие законодательству по радиочастотным излучениям на всех территориях, для которых модули доступны для продажи. Инженерная группа может также воспользоваться преимуществами встроенной прошивки, которая в некоторых случаях делает беспроводное соединение таким же простым, как отправка данных через последовательный порт, и часто интегрированные решения обеспечивают более низкое энергопотребление, чем комбинации базовых плат и дополнительных модулей, поскольку поставщики смогли в полной мере воспользоваться преимуществами обработки, доступной как на центральном MCU, так и на ядрах процессора внутри беспроводных приемопередатчиков.
Результатом интеграции является меньшее общее время разработки и меньшие форм-факторы по сравнению с проектами, основанными на бутербродах из нескольких плат. Очень часто стоимость снижается из-за более высокой интеграции, и разработчики могут продолжать использовать преимущества контактного разъема и аналогичных интерфейсов для подключения пользовательских сенсорных модулей.
Разработчики имеют доступ к мощным решениям с высокой степенью интеграции, таким как компьютер Raspberry Pi 4 Model B (см. Выше). Он предлагает революционное увеличение скорости процессора, производительности мультимедиа, памяти и подключения (по сравнению с Raspberry Pi 3 Model B + предыдущего поколения), сохраняя при этом обратную совместимость и аналогичное энергопотребление. Ключевые характеристики продукта включают в себя высокопроизводительный 64-разрядный четырехъядерный процессор Cortex-A72 (ARM v8), поддержку двух дисплеев с разрешением до 4K через пару портов micro-HDMI, аппаратное декодирование видео до 4Kp60, 4 ГБ ОЗУ, двухдиапазонная 2,4 / 5,0 ГГц беспроводная ЛВС, Bluetooth 5.0, Gigabit Ethernet, USB 3.0 и возможность PoE (через отдельное дополнение PoE HAT). Двухдиапазонная беспроводная локальная сеть и Bluetooth имеют модульную сертификацию соответствия, что позволяет адаптировать плату к конечным продуктам со значительно сокращенным тестированием соответствия, что сокращает затраты и время выхода на рынок.
BeagleBone Black (ниже) заменяет контроллер Ethernet оригинальной конструкции SBC с интерфейсом WiFi 2,4 ГГц и приемопередатчиком Bluetooth 4.1 и BLE. Интегрированный модуль построен на основе SIP Octavo Systems. Это объединяет процессор Arm Cortex-A8 с 512 ГБ высокоскоростной памяти DDR и 4 ГБ флэш-памяти. Для поддержки приложений, которые нуждаются в высокоскоростной обработке ввода / вывода, процессор производства TI поддерживается двумя программируемыми модулями реального времени (PRU). PRU разгружают задачи, которые требуют обработки с малой задержкой от процессора Arm, обеспечивая больший запас для операционной системы, пользовательского интерфейса и функций управления системой.
Для более простых конструкций Particle Photon соединяет микроконтроллер Cortex-M3 от STMicroelectronics с контроллером Cypress WiFi: того же типа, который используется в устройствах умного дома, таких как Nest Protect и Amazon Dash. Particle Electron использует тот же базовый процессорный комплекс и применяет его к сотовому приемопередатчику 3G, предоставляя возможность создавать узлы IoT, которым не требуется локальный шлюз для подключения к облаку.
Модульные решения обеспечивают еще один путь к беспроводному соединению с системой на основе SBC. Благодаря ассортименту продуктов Arduino, команда разработчиков может выбирать из множества модулей, известных как Shields в экосистеме Arduino, для добавления RF-интерфейса к базовой плате. Щиты в семействе MKR добавляют подключение к локальной или глобальной беспроводной сети. Оба MKR 1000 и 1010 включают в себя приемопередатчик WiFi. WAN 1300 обеспечивает подключение LoRA и доступ GSM 1400 ко многим сотовым сетям, доступным по всему миру. Кроме того, MKRFOX 1200 выступает в качестве интерфейса для маломощной глобальной сети SigFox.
Каждый из этих экранов может быть установлен на несущей плате, такой как Genuino Zero или Due, с помощью разъемов с контактами. Примечательной особенностью многих модулей семейства MKR для беспроводной связи является собственный 32-битный микроконтроллер на базе ядра Arm Cortex-M0 +. Разработчики могут использовать преимущества M0 + для разгрузки обработки пакетов, таких как шифрование и сжатие, от основного процессора оператора. В качестве альтернативы, такие устройства, как MKR1000, могут использоваться в качестве автономных модулей в системах с ограниченным пространством, с удаленными колпачками для уменьшения общего объема.
Наборы для разработки предоставляют другие возможности для инженерных команд, в основном для тех, кто хочет разрабатывать пользовательские модули для массового производства. Наборы для разработки предназначены для максимально быстрого запуска и запуска команд. Например, комплект разработки element14 для шлюза Linux от SimpleLink Sensor до Cloud предоставляет комплексное решение. В комплект входят все компоненты, необходимые для создания полноценной сенсорной сети, в том числе решение для шлюза на основе платы BeagleBone Black, дополненной WiFi, а также комплект CC1350 LaunchPad для работы в качестве узла датчика дальнего действия.
Благодаря обширному портфелю платформ, которые варьируются от комплектов прототипов до готовых SBC, которые можно использовать в производственных системах, инженерные команды теперь могут в полной мере воспользоваться новыми бизнес-моделями, которые стали возможными благодаря беспроводной связи в эпоху IoT и предоставлять высокодифференцированные решения, не сталкиваясь со сложностями проектирования радиочастот.
Анкур Томар, менеджер по региональным решениям, Farnell