焦點速看：為IoT和IIoT應用選擇微控制器開發(fā)工具包的介紹性指南

作者：貿澤電子Mark Patrick

(相關資料圖)

物聯網（IoT）已經在我們周圍無處不在，對于嵌入式開發(fā)工程師來說，開始一個新的物聯網設計需要嚴格關注多個因素，如功耗、感測能力和無線連接等，不斷增大的上市時間壓力則加劇了這種需要。物聯網開發(fā)工具包則為設計師提供了一個可行且方便易用的原型平臺，但物聯網開發(fā)工具包的功能差異很大，因此需要仔細考慮具體應用需求、工具包的功能和性能。

本文將重點介紹為新設計項目選擇物聯網開發(fā)工具包所涉及的許多考慮因素。

在線時代

毫無疑問，我們正處于一個在線時代，互聯設備無處不在，有些是我們平時佩戴，有些是幫助我們準確監(jiān)測用電量，還有一些能夠在有客人來訪時通知我們。對于工業(yè)生產過程，工業(yè)物聯網（IIoT）的出現正在改變工廠的運營方式，并幫助提高整體設備效率。在短短十年中，我們已經改變了與周圍世界互動以及控制周圍世界的方式。我們過去時常驚嘆如果沒有手機是如何應對這一起，而現在我們已經習慣了實時訪問有關生活和工作各個方面的信息。

我們的汽車也在經歷一些根本的變化，所接收到的最新交通流信息能夠提醒我們前方可能出現的延誤。通過利用互聯網連接的醫(yī)療監(jiān)測設備，患者可以舒適地在家中休息，并確信由于具備在線監(jiān)測，在需要時醫(yī)護人員會進行現場干預。

由于政府實施的工業(yè)4.0等一些舉措，推動了對自動化、流程效率改進以及更精簡運營的需求，因而物聯網已經快速被行業(yè)所采納?，F在，大量的傳感器可監(jiān)測并報告流程每個階段的狀態(tài)，并將數據反饋給自動化控制和分析系統(tǒng)。

部署IoT/IIoT的好處非常明顯，但從電子工程的角度來看，開發(fā)物聯網設備也存在許多挑戰(zhàn)。

探索物聯網設備的需求

各種不同的物聯網應用差異很大，但無論是為工業(yè)過程設計壓力傳感器還是為辦公室設計房間占用傳感器，一組核心功能要求通常保持不變。

為創(chuàng)建物聯網設備的大概工程規(guī)格和參數，需要進行初步的事實考證，應考慮以下重點關注的幾個方面，這些將基本定型其功能架構和設計。

傳感功能：從溫度到氣壓，再到人的運動，傳感器可以感知我們周圍的世界。例如，攝像頭可能會將數據流傳輸到機器學習應用，以進行物體檢測，從而確認標簽已正確粘貼到瓶子上。一些技術決策取決于檢測到的內容和檢測頻率，其它考慮因素包括傳感器成本、尺寸和復雜性等。用于測量溫度的熱敏電阻在轉換為數字形式之前，需要由模擬范疇的附加組件和一些軟件處理。另一個因素是需要多少個傳感器以及它們的輪詢（polled）頻率。

連接性：物聯網設備如何與主機控制系統(tǒng)進行交互？在每個應用案例場景中都可以使用可靠的無線通信嗎？還是首選有線通信？傳感器的類型決定了需要傳輸多少數據以及傳輸頻率。在大型部署中，無線網格技術通常能夠提供更強大的通信鏈路，但要求所有物聯網設備都以這種方式運行。對于無線通信，需要在創(chuàng)建分立式設計，還是選擇經過認證的模塊之間做出決策。

電源：您的物聯網設備功耗情況可能會是怎樣？某些應用、通信頻率和無線協(xié)議可能具有超過小型電池容量的巨大電力負載。對于某些部署方案，是否可以提供線路電源？最近的物聯網傳感器發(fā)展趨勢是采用能量收集技術來完全去除電池，取而代之的是，從太陽能、振動和熱量等環(huán)境能源中獲取能量，為超級電容器充電。

用戶界面：物聯網設備是否需要與用戶交互？如果在運行期間不需要，在安裝和連接到主機系統(tǒng)期間會怎么樣？是否需要顯示器或任何其他形式的指示或狀態(tài)LED？

云端分析和控制應用：物聯網的本質是所有設備連接到控制主機系統(tǒng)，而連接方法和協(xié)議確定了傳感器的軟件需求以及與主機的交互方式。數據流是否需要恒定的數據傳輸鏈路，或者可以定期批量發(fā)送？

物聯網開發(fā)工具包選擇提示和技巧

開發(fā)工具包為嵌入式工程師提供了一種方便快捷的原型設計方法。在本一節(jié)中，我們將著重討論工程師在選擇合適的開發(fā)套件時應該考慮的一些因素。領先的微控制器供應商提供了多種物聯網開發(fā)和評估工具，因此最好的方法是根據具體應用要求做出明智的決定。下面是選擇開發(fā)工具包平臺時需要檢查的一些功能列表。

電源：

·電路板是如何供電的？通過主機工作站的USB？電池供電？它可以由預想的電源供電嗎？它是否有PMIC，從而可以用來嘗試其他電源？

·是否可以在線路內放置電流探針來測量實時功耗并進行分析？如果可以，電路板上是否包括所有零部件以及任何附加的模塊、傳感器等？

傳感器：

·電路板是否配備了應用需要使用的傳感器類型？

·是否可以添加其他傳感器？使用外圍設備連接或行業(yè)標準的附加格式，如mikroBUS Click？

·可訪問哪些外圍接口？I²C、UART、SPI、GPIO？

·電路板或微控制器是否有您可以使用的ADC，是否需要其他信號調節(jié)組件？

連接性：

·電路板上有哪些有線/無線連接選項？以太網、Wi-Fi、LoRa、BLE、ISM等。

·如果沒有板載連接，是否可以輕松添加？制造商是否建議并支持合適的無線模塊，或者是否存在第三方接口（mikroBUS Click.等）選項？

·電路板固件是否能夠實現固件的無線更新？

計算資源：

·電路板是否具有您打算使用的微控制器？您以前使用過它嗎？您是否已經擁有合適的開發(fā)工具鏈？

·電路板的計算資源是否足以運行物聯網應用程序、主機協(xié)議和所有連接協(xié)議棧？

·如果微控制器集成有無線收發(fā)器，您是否可以獨立控制其睡眠模式以實現節(jié)能目的？

·MCU有哪些內置安全功能，它們適合您的應用嗎？

用戶控件：

·該電路板是否配備了所有用戶按鈕、觸摸感應滑塊或其他用戶控制硬件功能？

·是否有顯示器？在最終應用中是否有必要？

·是否可以從您的代碼訪問任何用戶LED？是否有足夠的可用端口，或者可以使用備用GPIO端口快速添加？

軟件支持：

·該電路板的推薦開發(fā)工具鏈是什么？您已經有了嗎？

·是否包括綜合板支持包（BSP）？

·需要哪些額外的驅動、程序庫和固件，它們是免費的嗎？

·與電路板制造商一起檢查固件和中間件許可要求。

·電路板是否提供了預裝演示，可以顯現該板的功能？它是否包括與流行服務提供商（如Microsoft Azure或Amazon AWS）之間的通信？

·電路板上是否有其他演示和代碼示例？是否存在一個包括程序庫和開發(fā)伙伴的生態(tài)系統(tǒng)？

物聯網開發(fā)板展示

Microchip WFI32物聯網開發(fā)板

Microchip WFI32，部件參考代碼EV36W50A，這是一個全面、完全集成的獨立物聯網開發(fā)板（參見圖1）。

圖1：Microchip EV36W50A物聯網開發(fā)工具包。（來源：Microchip）

WFI32 IoT集成了基于PIC系列微控制器的Microchip WFI32E01PC Wi-Fi 802.11無線模塊，板載傳感器包括一個Microchip數字I²C溫度IC和一個數字環(huán)境光IC，開發(fā)人員可以通過mikroBUS插座連接其他傳感器或外圍設備。該無線MCU模塊還配有集成天線，電路板可以通過工作站主機或LiPo電池供電，而板載PMIC則允許通過USB主機提供電池充電功能。

圖2顯示了WFI32 IoT電路板的功能框圖，并突出顯示了集成到該板的Microchip組件。

圖2：Microchip WFI32 IoT EV36W50A開發(fā)板功能框圖。（來源：Microchip）

該電路板預裝了一個現成的（OOB）演示圖像，可以讀取板載傳感器，并將數據發(fā)送到Amazon AWS云端。演示代碼和完整說明可從GitHub存儲庫獲取。

STMicroelectronicsSTEVAL ASTRA1B多種連接資產跟蹤參考設計

圖3顯示了STEVAL ASTRA1B開發(fā)工具包和參考設計，它專為原型制作和評估資產跟蹤應用而設計，其中集成了兩個無線連接模塊：一個為STM32WB5MMG低功耗、短距離2.4GHz無線BLE/ZigBee微控制器模塊，另一個為遠程亞GHz STM32WL55JC無線MCU模塊，用于LoRa等LPWAN通信。

圖3：STEVAL-ASTRA1B資產跟蹤開發(fā)工具包。（來源：STMicroelectronics）

STEVAL ASTRA1B包括一套全面的傳感器，能夠測量多種環(huán)境和運動參數。全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）模塊可提供室外定位數據。其他板載功能包括STSAFE安全元件、480 mAh電池，以及由資產跟蹤儀表板和智能手機應用程序組成的OOB演示。

Silicon Labs的 xG24-RB4188A是一種插入式分集天線模塊，用于制作2.4GHz無線應用的原型（參見圖4），它可插入Silicon Labs BRD4001無線啟動板。該模塊包含一個Silicon Labs EFR32 Wireless Gecko片上系統(tǒng)、一個射頻開關、匹配網絡和兩個SMA天線連接器。EFR32的RF輸出為+20 dBm。

圖4：安裝在Silicon Labs Wireless Kit Pro主板上的Silicon Labs xG24-RB4188A分集天線模塊。（來源：Silicon Labs）

SEMTECH LR1120開發(fā)套件

針對基于SEMTECH LR1120無線微控制器的LoRa LPWAN應用原型設計，SEMTECK可提供一系列LR1120開發(fā)工具包，如圖5所示。

圖5：SEMTECH LR1120開發(fā)工具包示例。（來源：SEMTECH）

根據工業(yè)、科學和醫(yī)療（ISM）等亞GHz頻譜領域要求，這些套件有針對不同地區(qū)的變體。

LR1120適合多個區(qū)域資產定位、庫存管理和防盜應用。

本文前面部分重點介紹了向開發(fā)板添加其他傳感器或外圍設備的功能。如Microchip開發(fā)板說明中所述，它配備了一個mikroBUS插座。Mikroe開發(fā)的mikroBUS已迅速成為許多半導體供應商在開發(fā)和評估板上廣泛采用的行業(yè)標準。mikroBUS將SPI、UART和I²C等串行連接與電源、模擬和PWM信號等整合在一起，形成緊湊的插座格式。Mikroe已經開發(fā)了數百個采用這種方便外形的Click板。

Mikroe Ultra-Low Press Click就是其中一個例子。該板設計用于低壓氣動測量，它擁有一個TE Connectivity SM8436壓力傳感器，可通過I²C接口進行通信（參見圖6）。

圖6：Mikroe Ultra-Low Press Click板。（來源：Mikroe）

使用物聯網開發(fā)工具包繼續(xù)前進

由于這些開發(fā)板的出現，物聯網應用的原型制作變得非常容易。這篇短文著重討論了嵌入式工程師在選擇合適開發(fā)板時應該考慮的一些問題。除上述主題外，還需要考慮滿足特定應用的具體要求。

您打算開發(fā)什么？

關鍵詞： 微控制器 外圍設備 選擇合適 可以使用 功能框圖