种种迹象表明,2017将是物联网(IoT)取得重大发展的一年。行业研究公司IHS的报告预测,今年年底连接设备的数量将增长15%,达到200亿台。这无疑会给经济、物流和环境带来潜在的好处,可望在不同领域广泛应用。依赖高度自动化的工业流程将应运而生,从而提供更安全、更高效和更可靠的系统,更智慧、更节能的居住场所,以及更少打扰和更便利的病人护理。

从一开始,半导体制造商就清楚物联网应该怎样实施才会有效。物联网节点肯定会数以百亿计,很多情况下,相关应用将对成本相对敏感,所以必须考虑每个节点相关的物料单。此外还需要考虑每个节点的功耗,因为大量的物联网节点将被放置在没有电力线的偏远地点。这时只能由电池供电,尽可能延长电池的使用时间至关重要(工程师到现场更换电池将花费额外的时间和成本)。根据具体应用,其它一些因素也会影响物联网节点,如空间限制、恶劣的应用环境等。

在部署物联网时会采用不同的无线和有线通信协议。一些协议已相当成熟,而另一些正在兴起。有线协议包括用于楼宇自动化的KNX和工业用CAN或以太网。大多数无线通信协议将专注于短距离、超低功耗工作,如Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave和蓝牙低功耗(BLE)。无线协议还有低功耗广域网(LPWAN)协议,适于距离远、数据量低的应用,其功耗极低(如SIGFOX和LoRa)。能够替代 “低功耗”协议的,还有用于广域网、基于蜂窝的协议,如LTE-M、NarrowBand IoT(NB-IoT)和5G。

传感器/执行器是真正驱动物联网工作的器件。所有的数据都可由传感器捕获并加以分析。相反,执行器可用来驱动电机、启动照明等。从一些应用实例可以看出,传感器和执行器相结合,再加上互联,是核心所在。在住宅/楼宇自动化应用中,网络中的多个无源红外(PIR)探测器可以确定人的移动,LED驱动器可以根据人的移动激活对应房间的照明。在工业应用中,如大型园艺场,许多不同的传感器可以监测环境光照、温度、湿度、土壤水分等。当某个参数超出了预先设定的阈值范围,就要采取相应的行动。例如,当温度太高时,可以启动电机以打开温室的窗户。另外,如果光照水平没有达到最佳,不能最大程度提高产量,便可通过连接的LED驱动器进行调节。

空间、成本和功耗预算限制,意味着物联网节点需遵循精简设计理念,只提供可轻松支持的功能。在设定微处理器和内存芯片的参数规范时,需主要考虑的因素是价格低,不耗电,且不会过多占用板面积。因此,一个强制性的要求是必须能够访问基于云的服务,在云端处理并分析数据,以弥补节点功能不足。在云端使用相关应用程序的能力将使物联网系统设计不受节点级的限制,同时被捕获的有价值的数据也能被充分利用。这样可以实现更高的数据处理和存储能力。

到目前为止,在物联网的开发中,电子硬件供应商和云服务提供商几乎完全隔离。他们都停留在自己擅长的领域,这已经影响了物联网的快速增长,因为不得不单独考虑硬件和软件开发令人厌烦。硬件工程师不想离开自己的舒适区而去面对写大量代码的困难;同样,软件开发人员也不想局限于一个不给他们足够灵活度的开发平台。

物联网的实施建立在各种基础之上。节点级关注的是高效和可靠的运行,使传感器捕获到的数据经过分析/处理能够被返回,或者执行器能够在需要的时候启动。为此,必须针对眼前的特定任务对采用的连接进行优化。再进一步,就是如何确保与云的交互有效。物联网一直以来真正需要的是能同时解决所有这些问题的技术。从硬件的角度,要为工程师提供必要的互联、传感器和执行器,以创建满足特定应用需求的物联网节点。从软件的角度,则要为开发人员提供一块基石,在此基础上他们能够创建支持这种硬件的云端应用。

半导体公司无疑是热衷于投身物联网的,但他们提供的开发平台尚不能处理上面谈到的所有问题。提供的硬件都是采用特定传感器和通信功能的单板方案,为了让自己的系统满足应用需求,工程师几乎没什么发挥的空间。当平台不支持最佳的互联或感测方案时,便只能进行折衷。

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图1:安森美半导体的IDK的硬件和软件示意图。

鉴于物联网部署的不断变化,安森美半导体公司的工程师创建了一种新的物联网开发平台——物联网开发套件(IDK),该平台充分考虑了硬件工程师和软件开发人员各自的优势,为他们提供了便利。IDK不是采用受限的“通用”方法,它有一个模块化的架构,因此有更多的传感器、执行器和互联选择。它为工程专业人士提供了高度通用的现成的开发资源,包含硬件,还有一个精细的软件框架,可用于创建“设备到云”的物联网应用。

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图2:包含几个子卡的IDK主板。

IDK基于高精密的NCS36510系统级芯片(SoC),具有32位ARM® Cortex®-M3处理器核和2组各320KB的闪存。有大量的子卡可用,可以直接连接到基板。在连接方面,工程师可以针对各种无线和有线通信协议,如Wi-Fi、ZigBee、Sigfox、CAN、以太网等,挑选合适的子卡。对于传感器,有集成温度、水分、运动、心率、环境光、压力及生物传感器的子卡。此外,通过步进电机或无刷电机驱动器以及LED驱动器,可以实施执行器功能。

多种子卡可提供不同的传感器、执行器和通信功能,工程师们可以根据实际情况进行选择,为系统设计找到最适合的组合方案。此外,对于不擅长云软件开发的硬件工程师,需要在自己的物联网系统中使用基于云的服务,该工具提供一种获取云服务的简单途径。相反,软件开发人员不必遏制自己的创意,他们有机会开发自己的专有服务。IDK由一个基于Eclipse的集成开发环境(IDE)支持,包括一个C++编译器、调试器和代码编辑器,以及一系列应用相关的库。利用一个可配置的通用平台,如IDK,工程师能够专注于自己擅长的领域,无需被迫作出取舍,从而实现自己的系统设计目标。

作者: Wiren Perera,安森美半导体公司

《电子技术设计》2017年7月刊版权所有,谢绝转载。

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