Contenuti sponsorizzati: soluzioni integrate a scheda singola per un facile sviluppo wireless
La connettività wireless fornisce il percorso più semplice verso il cloud consentendo l'accesso all'IoT per un'ampia gamma di applicazioni. Tramite il supporto wireless, non è necessario far passare i cavi nella posizione di ciascun dispositivo e protocolli intelligenti come il Bluetooth semplificano la configurazione dei dispositivi praticamente ovunque.
Opzioni di tecnologia wireless
I team di tecnici hanno ora accesso a una vasta gamma di opzioni di connettività wireless appropriate per la loro applicazione.
A corto raggio: Per l'uso a corto raggio in casa o in ufficio, Bluetooth e WiFi coprono la gamma di funzioni richieste per bassa potenza e larghezza di banda elevata. Anche in installazioni più grandi, come all'interno di un grande magazzino o in un ambiente di officina, l'uso di gateway WiFi e reti mesh nel caso di reti a bassa potenza come Bluetooth o Zigbee, amplia notevolmente la portata operativa.
Mid-range: Reti wireless come LoRaWAN e Sigfox consentono di accedere a dispositivi a decine di chilometri a un costo molto basso. Queste reti sono progettate per trasportare piccole quantità di dati, supportando dati con velocità fino a 50kb / s nel caso di LoRaWAN e, a differenza dei servizi cellulari, queste reti non sono fatturate dal byte. Gli utenti possono utilizzare i propri gateway, che possono essere richiesti per l'assistenza in località remote, ma offrono anche opzioni in cui la copertura cellulare potrebbe non essere affidabile. I fornitori di servizi come The Things Network hanno creato reti pubbliche basate su LoRaWAN che coprono intere città e le loro periferie. La rete delle cose ora ha più di 8.000 gateway in funzione che coprono molte grandi città e periferie dell'Europa occidentale e parti densamente popolate degli Stati Uniti.
Lungo raggio / diffusa: Quando è richiesta una copertura più ampia e l'applicazione può supportare la fatturazione pay-per-use, i progettisti possono utilizzare le reti cellulari 2G, 3G e 4G.
La storia della connettività wireless
Un problema affrontato da molti progettisti in passato era che lo sviluppo di interfacce RF efficienti per consentire la connettività wireless è difficile e richiede tempo. I segnali ad alta frequenza che devono essere trasmessi dall'antenna al ricetrasmettitore richiedono una gestione delicata per garantire un elevato rapporto segnale-rumore. L'antenna stessa può avere un impatto drammatico sulle prestazioni, con piccoli cambiamenti nella forma e nella struttura che significano la differenza tra un ricetrasmettitore RF che funziona alla portata desiderata e uno che è efficace solo su brevi distanze. Inoltre, i sistemi wireless devono superare severi test che determinano se il sistema interferirà con altri utenti, anche in bande che non necessitano di una specifica licenza radio, come le bande a 2,4 GHz utilizzate da Bluetooth, WiFi e altri.
I computer tradizionali a scheda singola (SBC) non disponevano di connettività wireless, costringendo i team di progettazione a sviluppare moduli personalizzati, ma mentre gli ecosistemi intorno a Raspberry Pi, BeagleBone e Arduino sviluppavano, venivano sviluppati moduli già pronti che potevano essere utilizzati con i core SBC. Le opzioni includevano, ad esempio, il modulo WiPi per Raspberry Pi, collegandosi al modulo del processore tramite una porta USB. BeagleBone e Arduino hanno previsto opzioni di moduli wireless simili, collegandosi tramite connettori a pin.
Sebbene l'uso di moduli wireless aggiuntivi abbia ridotto i tempi associati alla progettazione hardware, non ha ridotto i tempi associati ad altri aspetti dell'integrazione wireless. Il progettista dovrebbe, in molti casi, proseguire i propri test per garantire la conformità con la legislazione relativa alle emissioni RF nei locali in cui voleva vendere prodotti.
Un'ulteriore richiesta in termini di tempo e costi è arrivata dal processo di integrazione del software. Esistono molte opzioni di silicio ricetrasmettitore, in particolare con i protocolli wireless a corto raggio ea bassa potenza come Bluetooth o WiFi. Il supporto del protocollo sul modulo wireless è fornito da un SoC dedicato che esegue una serie di librerie del firmware stesso, ma in alcuni casi potrebbe essere necessario eseguire livelli di protocollo di alto livello sull'SBC host, con qualche forma di protocollo seriale proprietario utilizzato per passare i dati tra i livelli. L'integratore sarebbe responsabile di riunire questi elementi software in modo coerente.
Le soluzioni odierne per la connettività wireless
Man mano che la connettività wireless è diventata più popolare, i produttori di SBC e gli ambienti integrati di sviluppo hardware-software come Arduino hanno intrapreso una varietà di percorsi per offrire supporto wireless alle loro linee di prodotti. Le scelte includono soluzioni integrate che sfruttano l'integrazione fornita da una gamma crescente di microcontrollori che incorporano il supporto diretto per i protocolli wireless. Altri utilizzano architetture modulari per fornire ai progettisti una scelta di opzioni di connettività wireless che possono essere utilizzate con una scheda base comune.
L'uso del modulo integrato porta numerosi vantaggi chiave, non ultimo quello del completo SBC, inclusa la connettività wireless, che è stato testato per la conformità con la legislazione sulle emissioni RF in tutti i territori per i quali i moduli sono disponibili per la vendita. Il team di ingegneri può inoltre sfruttare il firmware pre-integrato che, in alcuni casi, può rendere la connettività wireless semplice come l'invio di dati attraverso una porta seriale e spesso, le soluzioni integrate offrono un consumo energetico inferiore rispetto alle combinazioni di schede di base e moduli aggiuntivi perché i fornitori sono stati in grado di sfruttare appieno l'elaborazione disponibile sia sul core MCU che sui core del processore all'interno dei ricetrasmettitori wireless.
Il risultato dell'integrazione è un tempo di sviluppo complessivo inferiore e fattori di forma inferiori rispetto ai progetti basati su sandwich di più schede. Molto spesso il costo è ridotto a causa della maggiore integrazione e gli sviluppatori possono continuare a sfruttare l'intestazione pin e interfacce simili per collegare moduli sensore personalizzati.
Gli sviluppatori hanno accesso a potenti soluzioni ad alta integrazione come il computer Raspberry Pi 4 modello B (sopra). Offre aumenti rivoluzionari della velocità del processore, delle prestazioni multimediali, della memoria e della connettività (rispetto al modello Raspberry Pi 3 B + di generazione precedente), pur mantenendo la compatibilità con le versioni precedenti e un consumo energetico simile. Le caratteristiche principali del prodotto includono un processore Cortex-A72 (ARM v8) quad-core a 64 bit ad alte prestazioni, supporto per doppio display con risoluzioni fino a 4K tramite una coppia di porte micro-HDMI, decodifica video hardware fino a 4Kp60, 4 GB di RAM, LAN wireless dual-band da 2,4 / 5,0 GHz, Bluetooth 5.0, Gigabit Ethernet, USB 3.0 e funzionalità PoE (tramite un componente aggiuntivo PoE HAT separato). La LAN wireless e Bluetooth a doppia banda hanno una certificazione di conformità modulare, che consente di progettare la scheda in prodotti finali con test di conformità significativamente ridotti, migliorando sia i costi che il time to market.
BeagleBone Black (in basso) sostituisce il controller Ethernet del design SBC originale con interfaccia WiFi a 2,4 GHz e un ricetrasmettitore Bluetooth 4.1 e BLE. Il modulo integrato è basato sul SIP di Octavo Systems. Questo accoppia un processore Arm Cortex-A8 con 512 GB di memoria DDR ad alta velocità e 4 GB di flash. Per supportare le applicazioni che richiedono l'elaborazione degli I / O ad alta velocità, il processore TI è supportato da due unità PRU programmabili. Le PRU eseguono il offload di attività che richiedono l'elaborazione a bassa latenza dal processore Arm, offrendo maggiore spazio per un sistema operativo, un'interfaccia utente e funzioni di gestione del sistema.
Per progetti più semplici, Particle Photon abbina un microcontrollore Cortex-M3 di STMicroelectronics a un controller Cypress WiFi: lo stesso tipo di quello utilizzato nei dispositivi smart home come Nest Protect e Amazon Dash. Particle Electron accetta lo stesso complesso di processori core e lo applica a un ricetrasmettitore cellulare 3G, fornendo la possibilità di costruire nodi IoT che non necessitano di un gateway locale per connettersi al cloud.
Le soluzioni modulari offrono un'altra strada per portare la connettività wireless a un sistema basato su SBC. Con la gamma di prodotti Arduino, il team di sviluppo può scegliere tra una varietà di moduli, noti come Shields nell'ecosistema Arduino, per aggiungere un'interfaccia RF a una scheda di base. Gli Shield della famiglia MKR aggiungono connettività di rete wireless locale o ad ampia area. MKR 1000 e 1010 includono entrambi un ricetrasmettitore WiFi. WAN 1300 offre connettività LoRA e accesso GSM 1400 alle numerose reti cellulari disponibili in tutto il mondo. Inoltre, MKRFOX 1200 funge da interfaccia per la rete di ampia area SigFox a bassa potenza.
Ognuno di questi schermi può essere montato su una scheda portante come Genuino Zero o Due utilizzando i connettori con intestazione a pin. Una caratteristica notevole di molti della famiglia di moduli MKR per la connettività wireless ha il proprio microcontrollore a 32 bit basato sul core Arm Cortex-M0 +. Gli sviluppatori possono sfruttare M0 + per scaricare l'elaborazione dei pacchetti, come la crittografia e la compressione, dal processore principale del corriere. In alternativa, dispositivi come MKR1000 possono essere utilizzati come moduli autonomi in sistemi con spazio limitato, con le intestazioni dei pin rimosse per ridurre il volume complessivo.
I kit di sviluppo offrono altre opzioni per i team di progettazione, principalmente per coloro che desiderano progettare moduli personalizzati per la produzione di volumi. I kit di sviluppo sono progettati per mettere in funzione i team il più rapidamente possibile. Ad esempio, il kit di sviluppo element14 per il gateway da sensore Linux a SimpleLink fornisce una soluzione end-to-end. Il kit contiene tutti i componenti necessari per creare una rete completa di sensori, inclusa una soluzione gateway basata sulla scheda BeagleBone Black potenziata con WiFi e un kit LaunchPad CC1350 per fungere da nodo sensore a lungo raggio.
Grazie a un ricco portafoglio di piattaforme che vanno dai kit di prototipazione agli SBC standard che possono essere utilizzati nei sistemi di produzione, i team di ingegneri possono ora sfruttare appieno i nuovi modelli di business resi possibili dalla connettività wireless nell'era dell'IoT e fornire soluzioni altamente differenziate senza dover affrontare le complessità della progettazione RF.
Di Ankur Tomar, direttore del marketing delle soluzioni regionali, Farnell