Примечание редактора: приложения IoT создают особенно тесную конвергенцию между аппаратными и программными компонентами. Разработчики должны беспокоиться о миллионах деталей в каждой области. Эта серия из двух частей посвящена единой платформе с модульным подходом, предназначенной для облегчения этой конвергенции. В первой части рассматривается, как аппаратные опции платформы облегчают реализацию компонентов IoT, а во второй части рассматривается архитектура программного обеспечения и его роль в ускорении сквозной разработки приложений IoT.
Большим приложениям IoT обычно требуется несколько вариантов подключения и программных служб для реализации базовых функций. Чтобы удовлетворить все более требовательные требования, разработчикам приходилось комбинировать все более разнообразные решения из разных источников и операционных сред.
Чтобы удовлетворить потребности каждого решения, часто необходимо переосмыслить подход к разработке. Разработчику приходится иметь дело не только с фактическими требованиями к приложениям, но и с проблемами, возникающими, когда различные приложения должны быть легко выровнены в приложении. Используйте Артик платформу от Samsung является более простой подход можно комбинировать с совместимыми аппаратными модулями и программных сервисов на единой унифицированной платформы для разработки и развертывания приложений ВГД.
Проблемы с разработкой приложений IoT
Широкий спектр требований, связанных с приложениями IoT, может быть пугающим для разработчиков. Сенсорные системы должны обеспечивать точное согласование сигналов и преобразование данных с минимальным уровнем шума и пропускной способности. Беспроводные устройства просто должны интегрироваться с существующей коммуникационной инфраструктурой приложения, вносить достаточную мощность радиопередачи и способствовать общему низкому энергопотреблению.
На более высоком уровне устройства IoT должны обеспечивать эффективное облачное подключение через промежуточные хосты, такие как смартфоны, или через локальные шлюзы. В то же время необходимо обеспечить, чтобы угрозы для приложений IoT устранялись посредством комплексных мер безопасности на каждом звене всей информационной цепочки IoT.
Разработчики, которые работают через эти различные проблемные области, могут легко стать близорукими и потерять из виду общие требования к приложениям, поскольку они сосредоточены на каждом вертикальном наборе требований. Это может поставить их в ситуацию, когда им придется отклониться от пути развития, который они взяли на себя слишком рано.
Сквозные платформы, такие как решение ARTIK от Samsung, помогают разработчикам IoT избежать видения туннеля и его последствий, предоставляя полный набор аппаратных и программных компонентов, которые можно использовать для простой сборки законченных IoT-решений. ,
Платформа с едиными компонентами и сервисами
Экосистема Samsung ARTIK предоставляет платформу с унифицированными компонентами и сервисами для всей иерархии приложений IoT. На самом низком уровне иерархии IoT аппаратные модули поддерживают высокопроизводительный сбор данных и обработку сигналов. Есть несколько вариантов беспроводных подключений на выбор.
На более высоких уровнях облако ARTIK имеет широкий спектр нативных и сторонних сервисов. Унифицированная модель безопасности, охватывающая всю платформу, предоставляет разработчикам согласованный набор услуг, которые гарантируют, что только авторизованные устройства, службы и пользователи имеют доступ к базовым ресурсам или к самому приложению IoT.
Интегрированные модули
Набор взаимозаменяемых аппаратных модулей, составляющих основу экосистемы ARTIK, предоставляют решения для беспроводных сенсорных узлов и шлюзов. Модуль 053 АРТИКСКИЙ от Samsung, например, сочетает в себе ARM ® -Cortex ® -R 4 процессора, памяти и периферийных интерфейсов с выделенными подсистемами для подключения и безопасности функций Wi-Fi. Разработчики имеют доступ к полному набору последовательных портов и выводов, таких как GPIO, PWM, последовательные порты и 4-канальный 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который поддерживает скорости преобразования более 1 мс / с. модульные подсистемы (рисунок 1).
Рисунок 1: Как и другие модули семейства ARTIK, модуль ARTIK 053 обеспечивает полную беспроводную систему, включая процессор, память, интерфейсы и выделенные подсистемы для безопасности и беспроводной связи. (Источник: Samsung Semiconductor)
В своих модулях ARTIK Samsung объединяет несколько выделенных систем, включая системы связи и безопасности, в тесно интегрированную конструкцию, основанную на процессоре ARM Cortex, которая подходит для определенного класса приложений IoT. Модуль 053, который подходит для сбора данных и управления в режиме реального времени, является z. B. предназначен для использования в качестве оконечного узла IoT. Поэтому модуль 053 использует ARM Cortex R4. Это один из самых маленьких элементов серии ARM Cortex-R, разработанный специально для маломощных приложений реального времени.
ARM Cortex-R4 с частотой 320 МГц имеет отдельные кэши команд и данных, которые максимизируют производительность тех, кому требуется быстрый отклик. Как и другие модули ARTIK, 053 увеличивает встроенную память процессора за счет памяти в модуле, в данном случае 8 МБ флэш-памяти и 1280 КБ ОЗУ, готовые для общего использования.
В дополнение к моделям 053 с Wi-Fi доступны дополнительные модули ARTIK с процессорами серии 053, но с другими вариантами беспроводного подключения. Модуль ARTIK-020-AV2R предоставляет законченную подсистему с низким энергопотреблением Bluetooth для терминальных узлов IoT, которые взаимодействуют со смартфонами и другими мобильными устройствами.
Независимо от способа подключения каждый компонент IoT на каждом уровне иерархии устройств должен поддерживать надежные политики безопасности, которые могут защищать от угроз приложениям IoT из нескольких источников. Samsung основывает свои комплексные политики безопасности на аппаратных механизмах безопасности в каждом из модулей ARTIK. В модуле 053 есть з. Например, он интегрирует комплексную подсистему безопасности с крипто-механизмами, генератором истинных случайных чисел, безопасным хранилищем ключей и защищенной средой исполнения.
Модуль 053 также включает в себя функциональный блок неклонирования (PUF), который поддерживает цифровые отпечатки пальцев для защиты от подделок и атак типа "посередине", которые могут быть вызваны поддельными блоками.
Отбросьте в раствор
Чтобы получить полную функциональность 053 и других модулей ARTIK, эти полностью реализованные беспроводные системы могут быть относительно легко использованы в проектах. Модуль ARTIK 053 требует только нескольких дополнительных компонентов для завершения аппаратного интерфейса. GPIO модуля могут тянуть до 12 миллиампер (мА) напрямую без дополнительной буферизации. Входы, д. час GPIO, я 2Разъемы C, SPI и отладки имеют относительно высокий импеданс и тянут только 3 микроампера (мкА) (максимум, резисторы без опускания). Каналы АЦП модуля могут управляться напрямую от источников напряжения, но могут потребоваться малошумящие операционные усилители для усиления или ослабления сигналов источника в соответствии с диапазоном входного напряжения АЦП от 0 до 1,8 вольт.
При изготовлении печатной платы 79-контактный модуль 15 x 40 мм припаивается непосредственно к плате ПК или к несущей плате, вставленной между модулем и целевой платой. Из-за встроенной RF-подсистемы позиционирование модуля очень важно. Для этого Samsung предоставляет подробные механические характеристики для оптимизации радиочастотных характеристик при размещении модуля 053 на плате (рисунок 2).
Рисунок 2: Модули ARTIK можно быстро интегрировать в нестандартные конструкции, используя схемы Samsung и рекомендации по проектированию. Эти рекомендации по маршрутизации предназначены для. Например, обеспечить оптимальные характеристики РЧ на печатных платах. (Источник: Samsung Semiconductor)
Разработчики могут оценить свои проекты IoT перед проектированием и изготовлением специальных плат, используя соответствующие комплекты разработки ARTIK на основе этих модулей. Модуль 053 подключается к плате разработки стартового комплекта ARTIK-053 ( SIP-KITNXF001 ) через промежуточную плату . Он оснащен тестовыми светодиодами, кнопками, портом USB, портами для экрана Arduino и портами распределения ввода / вывода (рисунок 3).
Рисунок 3: Плата разработки из стартового комплекта для ARTIK 053 позволяет быстро оценить ARTIK 053 с модулем 053, источником питания, разъемами ввода / вывода, светодиодами и кнопками (источник: Samsung Semiconductor).
Во время разработки плата может не только питаться через интерфейс USB: автономная плата может питаться отдельно через разъем питания постоянного тока на 5–12 вольт или от внешнего аккумулятора на 5,6–6,4 вольт ,
Samsung предоставляет полные принципиальные схемы и ведомости разработки аппаратного обеспечения. Это дает разработчикам преимущество при разработке собственных проектов. Как упоминалось ранее, требования к аппаратному интерфейсу модуля довольно просты. Эталонная конструкция стартового комплекта, указанная в принципиальной схеме, передает небуферизованные цифровые сигналы от разъемов платы к модулю. Схемы иллюстрируют использование простой сети резисторов для обеспечения необходимого источника напряжения для входов АЦП (рисунок 4).
Рисунок 4: Схема подключения стартового комплекта ARTIK 053 иллюстрирует простые требования к интерфейсу модуля 053 и сети простых резисторов для обеспечения источника напряжения для 4 входных каналов АЦП. (Источник: Samsung Semiconductor)
ИТН шлюзы
Модули, такие как Wi-Fi 053 и Bluetooth 052, предоставляют решения для разработки терминальных узлов IoT.В более сложных иерархиях IoT разработчики IoT часто могут вставлять узлы высокопроизводительной обработки в уровень непосредственно над терминальным узлом. Эти промежуточные узлы действуют как ворота в облако. Часто они собирают данные и выполняют предварительную обработку на локальном уровне, обеспечивая тем самым короткие задержки между терминальными узлами или буферизуя периодические сбои облачных соединений терминальных узлов.
Samsung удовлетворяет эти потребности с помощью набора модулей на основе более мощных процессоров приложений ARM Cortex A. Модуль ARTIK 520 ( SIP-005AYS001 ) включает 32-разрядный двухъядерный процессор ARM Cortex-A7, а ARTIK 530 ( SIP-005AFS301 ) - 32-разрядный четырехъядерный процессор ARM Cortex-A-9. и ARTIK 710 ( SIP-007AFS001 ) предоставляет 64-разрядный процессор ARM Cortex A-53 с 8 ядрами. Благодаря их идентичной структуре, модули могут быть смешаны, и модули могут быть выбраны для конкретных задач обработки и требований.
В дополнение к своим возможностям управления питанием каждый модуль имеет полный набор периферийных устройств и интерфейсов, которые могут удовлетворить даже более высокие требования к шлюзам. ARTIK 530 не только работает с большим количеством каналов АЦП и GPIO, но также оснащен четырехканальным интерфейсом камеры MIPI, который поддерживает до 1920 x 1080 пикселей со скоростью 30 кадров в секунду (fps); четырехполосный интерфейс дисплея MIPI с разрешением до 1920 x 1080 пикселей с частотой 60 кадров в секунду и поддержкой двух каналов ввода-вывода аудио для пользовательских интерфейсов с.
В дополнение к расширенной поддержке периферийных модулей, модули ARTIK 520/530/710 отвечают еще одному важному требованию шлюзов. Шлюзы IoT обычно должны взаимодействовать с различными компонентами IoT. Таким образом, эти шлюзовые модули поддерживают несколько вариантов беспроводной связи, включая Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee и Thread, а также Ethernet.
Благодаря поддержке более высоких требований к шлюзам, модули ARTIK 520/530/710 обычно требуют больших усилий по проектированию. Для разработчиков Samsung поддерживает каждый модуль шлюза со связанной платой разработки, включая комплект ARTIK 520 ( SIP-KITNXB001 ), комплект 530 ( SIP-KITNXD001 ) и комплект 710 ( SIP-KITNXE001 ). В дополнение к платам для разработки Samsung предлагает полные эталонные конструкции со схемами, спецификациями и физическими схемами плат для ПК.
Наборы иллюстрируют более сложные конструкции интерфейса для модулей с дополнительными компонентами, которые могут потребоваться для компонентов шлюза. Эти комплекты содержат исчерпывающий список деталей, необходимых для поддержки расширенной функциональности модулей шлюза, в отличие от простой конструкции платы межсоединения и платы платформы для 053.
Платы для разработки ARTIK 530 имеют з. В B также имеется аудиокодек, USB-контроллер, зарядное устройство и индикаторзаряда и даже микроконтроллер ATMEGA48PB-M с технологией Microchip с дополнительными каналами GPIO и ADC (рис. 5).
Рисунок 5: Плата разработки ARTIK 530 иллюстрирует конструкцию сложных компонентов шлюза, объединяя модуль ARTIK 530 с внешним микроконтроллером ATMEGA48PB-M от Microchip Technology, аудиокодеком, компонентами Ethernet и USB и компонентами управления питанием. , (Источник: Samsung Semiconductor)
В отличие от простой конструкции платы разработки 053, комплект 530 включает платформу платформы, плату вставки, на которой установлен модуль 530, и интерфейсную плату (IF) для дополнительного расширения. В то время как устройство вставки 053 служит только несущей платой для модуля 053, устройство вставки 530 напрямую поддерживает большинство функций модуля 530. Таким образом, материнская плата 530 играет более активную роль в интеграции модуля в конструкцию системы шлюза и обеспечивает такие функции, как преобразование уровня, необходимое для поддержки различных цепей питания для разных компонентов конструкции.
Комплект для разработки и соответствующие схемы иллюстрируют конкретные дизайнерские решения для этих повышенных требований к интерфейсу. Эталонный дизайн показывает z. Б., как 2-битный преобразователь уровня NLSX4373MUTAG и 4-битный преобразователь уровня NLSX5014MUTAG от ON Semiconductor для обеспечения закупоривания критических областей могут быть включены в конструкции (рисунок 6).
Рисунок 6: В эталонных проектах ARTIK Gateway разработчики найдут подробную информацию о подключении модулей ARTIK 520/530/710 к готовым к использованию преобразователям уровня для цифровых линий управления. (Источник: Samsung Semiconductor)
вывод
В прошлом для удовлетворения сложных потребностей приложений IoT разработчики были более или менее вынуждены развертывать разрозненные компоненты из нескольких источников и решать задачи интеграции. Экосистема ARTIK теперь может объединять совместимые аппаратные модули, разработанные для удовлетворения определенных требований к беспроводной связи, функциональности и производительности для терминальных узлов и шлюзов IoT.
Модули ARTIK, предназначенные для предоставления комплексных решений для компонентов IoT, объединяют все компоненты, необходимые для реализации терминальных узлов IoT, или образуют основу для реализации более сложных компонентов шлюза. На основе комплектов и схем разработки ARTIK можно быстро внедрить компоненты, составляющие аппаратную основу приложения IoT. Как и в второй части выполняется, разработчики также могут извлечь выгоду из архитектуры программного обеспечения из Артик-Ökoystems Конструкция из конца в конец и реализации приложений ВГД.