近来我最喜欢的一个物联网新事物就是共享单车,深圳马路上能看到的四个品牌的单车我都安装了APP。不仅仅是单车,物联网在各个领域都给大家带来了全新的体验,把很多之前的无法想象都变成了可能,如停车找位/微信缴费、公交定位等,那些玩互联网的、传统行业的想创新的人们都需要借助“电子技术”来实现。

于是这个领域诞生了很多新的、未经测试的产品概念——而且其市场前景也不确定。对于他们来说,获得硬件开发资源是一大障碍。因此,使用能够快速做出原型机、让早期用户接受试用的开发方法非常重要,应此而生的,就是各种各样的开发板。

在本期的物联网开发板专题中,EDN China采访了该领域的数家半导体厂商/分销商/方案厂商,听听他们对物联网不同应用的看法、各类不同开发板的优势、分享如何实现硬件开源,以及与嵌入式软件和云平台的合作。

这些有趣的创新,分别选用了什么样的开发板?

小型空气质量监控网络。空气质量的监测是现在比较热门的话题,不同的地区、不同的行业所需要监测的要求也不一样。“我们在国内有一个合作伙伴,提供各种气体传感器。结合我们终端客户的需求,我们建立了一个基于Faststart平台的小型空气质量监控网络。该网络可以监控PM2.5、PM10、CO2、NO等,整个网络最多支持64个节点,节点间通过无线模块通信,可以在现场快速部署,用于监控特定的区域或目标场所。”ADI公司亚太区工业自动化市场高级经理张鹏分享的这个有趣的案例仅花了两周的时间就完成了。

“各个行业对于传感器的需求差异化很大,所以在设计这个平台时就考虑到基于硬件开源的接口,客户可以把各种各样不同的传感器很方便地跟我的平台对接,用以解决传感器接入的多样性问题。”张鹏表示。

智能饮水机。这是香港一家公司开发的产品,基于DragonBoard来完成,桶装水的提供商通过该平台将所有水的消耗情况连接到后台,提醒公司何时该进行采购。DragonBoard 410c是款基于四核、64位能力Snapdragon 410处理器的开发板,封装在一张信用卡大小的板上,还包括Wi-Fi、蓝牙和GPS等。

这样的配置不光能实现简单的智能控制,甚至还能实现人脸识别、手势识别、计算机视觉、异构计算等对计算性能要求较高的应用。“在本地计算能力越来越高的情况下,我们看到一个趋势,尤其是在视频领域,以前都是在云端依靠云计算实现,现在客户把自己的部分经验,从云端转移到了Edge。”艾睿亚太区元器件业务供应商业务营销副总裁黄汉基表示。

机器人。这样的项目采用DragonBoard410c非常合适,该板支持ROS机器人操作系统,兼具低功耗,这样开发者可以将更多电能用在传动和控制功能上,而非消耗在系统和处理上。由于该板GPU足够强大,能轻松应对视频轮播、交互广告等,因此有些数字广告牌也是基于该板开发的。

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依仗强大的处理能力,DragonBoard410c可以支持更多操作系统,如Linux、Android、Ubuntu Core,甚至是微软的Windows 10 IoT Core,高通产品管理高级总监Tia Cassett指出。

四轴飞行器。很多创客/爱好者已经在用ST的Nucleo板来设计四轴飞行器以及3D打印机等新兴应用,EDN China网站上曾有个四轴飞行器的专题浏览量持续一年都很高。2016年ST MCU开发板全球出货量大概20多万。主要包括三种开发板,分别是Nucleo板,探索套件以及全功能仿真板。同时有包括 Arduino 在内的多种不同的扩展板可以使用,还提供蓝牙、Wi-Fi和视听应用的扩展板;也有软件界面用于访问Nucleo开发板的温度和湿度传感器、压力传感器、运动传感器以及写入和读取RFID/NFC标签。

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从分销商的角度,富昌电子中国区市场及业务发展总监Danny Chen认为现有的平台各有特色,所关注的市场也不尽相同,“例如NXP的NFC技术就更关注金融市场应用;ST通过去年收购AMS的NFC部门,丰富了在消费/工控之外的平台;Cypress的BLE/WIFI则在智能家居方面有更广泛的应用。”

但他们之间也有相同的特色,这点在平台的开放性上表现得尤为明显,比较符合物联网长远发展的趋势,比如Cypress的WiFi能在ST的平台上使用、也能在NXP的平台上使用;ST的MEMS在各个平台上也使用得非常广泛,Chen指出。

性能/功耗/成本,谁更重要?

不同的产品,对性能、功能、功耗等方面的关注程度有所不同。

“对于上面提到的智能饮水机,客户对功能/性能就比较看重:是否能完成所需功能?网关处理能力如何,能管理多少个节点等;而对于无线连接类的应用,对稳定性和成本关注度较高。”黄汉基表示。

不过,对于通用的连接型产品,多数客户还是对成本关注比较高。例如在WiFi领域,工程师较多喜欢的是性价比高的产品(如MTK的7681),WICED平台和高通的芯片也较受欢迎,TI的3200则因为成本的原因使用量较少。

垂直行业应用的状况也很有趣,例如在Zigbee领域,开发板比较贵,且原厂的开发板比较复杂,做的人少。但是因为Zigbee针对灯具的应用很多,所以市场上有很多照明应用的演示板/功能板,开发者甚至加个外观就可以直接当产品了。

对于处理器开发板来说,对成本的关注相对较弱, “就目前而言,传统的通信厂商在迅速介入智能城市,智能制造领域。这类项目对于功能性能的要求较为迫切。”张鹏认为。

也有受访者表示很难说哪个最重要,需要依据项目需求和预算来定。“客观来说,选择跟我们合作的,都是对品质、性能、稳定性有较高要求的客户,因为丰富的底层设计经验和优秀的生产/采购能力能帮助客户实现良好的品牌溢价。”英蓓特市场经理闻静透露,虽然有些客户有成本控制,会折中选择一些性能和功耗次优的平台,但如果非要选一个最看重的话,性能应该是首要因素。

嵌入式软件、开发工具与云平台的辅助

第三方嵌入式软件在整个开发板的生态环境中扮演的角色不可或缺。

“针对传感器应用,软件算法合作伙伴可以提供针对手机或者可穿戴产品的运动算法,包括传感器数据融合、运动状态识别、上下文感知、室内导航等;针对音频相关应用,可以提供各种格式音频编解码、噪声消除、语音识别等算法;针对医疗健康应用,可以提供血压心率等检测算法;针对无线应用,可以提供各种主流RF的协议栈等。”意法半导体微控制器部市场经理任远表示,“另外,我们合作伙伴还可以提供各种GUI解决方案、RTOS等供客户选择。”

WICED支持很多嵌入式的软件如ThreadX、FreeRTOS、NuttX、FreeBSD等,赛普拉斯亚太区物联网市场应用总监杨学贤表示。

尽管有许多方法可以连接多个无线传感器,但连接到云端仍然具有挑战性。在空间、功率和成本,以及配置和管理所有传感器的同时,又要确保强大的安全性方面尤其如此。为了缩短开发周期,有些开发套件兼具传感器节点开发和云连接功能。开发人员无需就如何将云服务集成到最终用户体验中做出架构决策(包括系统将执行的操作以及哪些操作会触发设备的特定功能),即可使用这些“开箱即用”的套件相对较快地启动并运行具有传感器功能的设计。

FastStart平台可以通过有线或无线方式接入到云端,接入方式可以是专网,也可以是私网。“在专网方面我们现在跟一些有代表性的通信公司和大客户合作,把我们的平台通过MQTT/HTTP接进去。”张鹏表示,这个平台要解决的问题就是帮助客户在比较短的时间内,不用自己做板子或很多硬件控制的部分,拿着ADI的平台结合实际需求就能很快很灵活的完成多种传感器的集成和网络互联互通,完成基于行业的初步验证。

WICED不仅支持国内多家云平台,也支持国际上的如AWS、iCloud、Bluemix、Google等。WICED还支持一些电信运营商、工业物联网、医疗物联网、车联网等一些行业云平台。

硬件厂商们的开源做到哪一步了?

就开源硬件本身来看,开源产品所采用的量并不够大,远比行业关键客户的采购量要小得多。但是,在新设计中用到的开源设计,可以带来新的Design-in机会,所以芯片厂商/分销商们积极地在布局这种业务模式。

为了形成更好的用户环境,半导体厂商们同时在努力试图为自己的芯片/开发板打造一个开源的社区。例如WICED硬件开源社区资源包括如WiFi、BT、BT/BLE组合芯片以及WiFi/BT/BLE组合芯片的入门指南、数据手册、应用笔记、SDK等,还有物联网热门应用的参考设计。Cypress资深的工程师和WICED合作伙伴24小时在WICED社区论坛在线答疑。

高通则为开发者建立了一个庞大的用例库,开发者可以提交自己的工程和代码,相互启发,激发灵感。

“我们内部的工程师团队会帮助客户做一些项目方案的开发工作,并且开源,但前提条件是我们与客户有签署相关的协议来保障对方,这个是限于方案层面;如果是涉及到芯片层面的开源,我们会与芯片供应商沟通,针对具体的客户和项目去谈,这部分开源因为涉及到芯片底层的协议,则需要芯片厂商来支持。”Chen表示。

“例如我们有针对智能门锁做了一套NXP的整体解决方案,包括指纹、密码和NFC(即将加上BLE和WiFi的部分),这个方案硬件的原理图、Layout、软件等都可以根据客户选择是否全开源。”Chen指出。

Arduino接口以及ST Morpho接口使用户很容易扩展Nucleo板开发平台的功能,该平台集成了ST-LINK/V2-1调试器/编程器,与Nucleo板搭配的软件包包含有众多例程的STM32 HAL软件库,在mbed在线平台上也能找到很多资源。

BeagleBone Black(BBB)和WaRP7算是比较典型的开源项目。“WaRP7是英蓓特和NXP、e络盟联合开发的一个项目,瞄准可穿戴和物联网应用,采用NXP先进的多核异架处理器i.MX 7Solo,在硬件上做过专门的硬件优化,高度集成Wi-Fi和Bluetooth、USB-OTG,以及NFC等功能模块;电源管理方面,采用专用电源管理芯片PF3001,并配有专用锂电池充电,配有磁力-加速计、气压计、陀螺仪,支持多媒体,如音频输入输出、摄像头和显示功能。”闻静指出。

BBB系列开发板去年的出货量很可观,仅BeagleBone Black Ver C及BeagleBone Black Industrial出货量就高达16万片,在工业控制、医疗器械、机器人、智能家居等领域有着成熟的生态环境。

小结:开发板给了足够的资源,但做产品则需要在限定的成本、环境、体积等条件下实现同样的功能。所以我们选择开发板不仅仅要考虑功能的实现、成熟的合作伙伴/生态环境支持,对于扩展到成熟的商业发展也至关重要。