Moduly IoT od Microchip
Už niekoľko rokov je jednou z najpopulárnejších fráz prítomných v elektronickom priemysle spojenie IoT, teda „Internet vecí” (z ang. Internet of Things). Nižšie vám predstavujeme kompaktné moduly, ktoré uľahčujú a zrýchľujú produkciu a typizáciu IoT zariadení. Sú to sady pripravené spoločnosťou Microchip, ktoré komunikujú cez Bluetooth alebo Wi-Fi siete, pripravené na spoluprácu s Amazon Web Services alebo Google Cloud.
Nielen v priemysle, ale aj v každodennom živote pozorujeme lavínovo rastúci počet zariadení, ktorých fungovanie si vyžaduje stále alebo pravidelné spojenie s internetom, minimálne s domácou alebo firemnou lokálnou sieťou. Túto konektivitu využívame skoro na každom kroku: od ovládania televízorov pomocou smartfónov po komplexnú automatizáciu fabrík.
Komunikácia s a medzi všetkými obvodmi pracujúcimi v systéme umožňuje centralizovať ovládanie (ako v prípade výrobnej linky alebo inteligentného domu), ale spája sa aj so sťahovaním a odosielaním veľkého množstva dát. Tieto dáta sa zhromažďujú z rôznych senzorov, zvyčajne pomocou mikrokontrolérov, ktorých výpočtový výkon neumožňuje komplexne analyzovať informácie (nehovoriac o ich prezentovaní užívateľovi prístupným spôsobom). Pri spracúvaní dát môže pomôcť lokálny server, no náklady na jeho inštaláciu a prevádzku sú často neproporčné k prínosom. Preto konštruktéri najčastejšie volia služby externých firiem, napríklad Amazonu alebo Googlu, t. j. služby poskytujúce uchovávanie a spracúvanie dát „v cloude”.
Tu sa objavuje nová výzva, ktorú musí zvládnuť každé IoT zariadenie: bezpečnosť. Bohužiaľ, príliš jednoduché zariadenie bude v domácej alebo firemnej sieti slabým bodom celej infraštruktúry. Navyše nezaistí ani náležitú ochranu dát. Tragické následky, ktoré spôsobuje absencia vhodnej ochrany, najmä v prípade sieti napojených na internet, určite nikomu netreba pripomínať.
Moduly IoT od Microchip
Na tvorbu zariadení typu IoT sa používajú 32-bitové mikrokontroléry. Disponujú dostatočným výpočtovým výkonom a projektujú sa s ohľadom na sieťové aplikácie. Ich kapacity umožňujú umiestnenie komplexného softvéru zodpovedného za obsluhu užívateľských aplikácií, obsluhu bezdrôtového prenosového štandardu a zaistenie dostatočnej úrovne bezpečnosti prenášaných údajov medzi zariadením a cloudom (autentifikácia a kryptografia). Na druhej strane nutnosť vytvoriť takto komplikovaný softvér je zároveň aj nedostatok. Príprava tohto riešenia je časovo náročná, vyžaduje si poznatky o architektúre využívaného obvodu, poznanie knižníc na obsluhu balíka TCP/IP a protokolov v type MQTT alebo kompatibilného operačného systému na pokročilej úrovni. Navyše je potrebné zohľadniť implementáciu riešení zodpovedných za bezpečnosť v oblasti odosielaných informácií a možného update’u firmware’u nášho zariadenia. V mnohých prípadoch sa môže ukázať, že použitie 32-bitového mikroprocesoru zbytočne komplikuje život. Najmä, keď projektujeme funkčne jednoduchú aplikáciu (napríklad realizujúcu snímanie údajov z environmentálnych senzorov a reagujúca na ich zmeny na základe pokynu prichádzajúcej z riadiaceho centra via cloud).
Preto Microchip ponúka kompaktné IoT moduly vybavené 8 a 16-bitovými mikrokontrolérmi AVR alebo PIC v závislosti od potrieb a preferencií.
Jednotlivé funkcionality SMART/CONNECTED/SECURE sú realizované dedikovanými blokmi (mikrokontrolér/komunikačný modul/autorizačný obvod)
Kľúčové údaje o šiestich moduloch dostupných v ponuke TME uvádzame v tabuľke nižšie. Ich základné rozdelenie je delenie na mikrokontroléry AVR a PIC. V každej z týchto skupín si môžu naši zákazníci vybrať jeden z troch modelov: energeticky úsporný modul prispôsobený Bluetooth komunikácie; Wi-Fi modul určený na prácu s Amazon Web Services (AWS); alebo modul Wi-Fi určený pre službu Google Cloud.Všetky dosky sú vybavené debuggerom, ktorý zlepšuje spoluprácu s IDE a zrýchľuje fázu prototypizácie. Vďaka nemu a komunikácii cez USB port prebieha programovanie modulu v prostredí Microchip MPLAB® X IDE bezproblémovo. Softvér identifikuje modul automaticky, LEDky ukážu aktuálny stav zariadenia a užívateľ má k dispozícii virtuálny COM port a kanál logického analyzátora (GDI GPIO). Navyše, produkty vytvorené na báze mikrokontrolérov AVR ostávajú kompatibilné s populárnym prostredím Atmel Studio a Atmel Start.
Treba dodať, že vďaka technológii eXtreme Low Power (XLP) môžu byť moduly Bluetooth napájané „gombíkovou” batériou CR2032. Ostatné modely sú vybavené kontrolérom nabíjania a konektorom pre zapojenie lítium-iónového článku (Li-Ion) alebo lítium-polymérového článku (Li-Pol).
Model | Mikrokontrolér | Konektivita | Dedikovaný službe |
---|---|---|---|
AVR-BLE | ATmega3208 | Bluetooth | n/d |
AVR-IOT-WA | ATmega4808 | Wi-Fi | Amazon Web Services |
AVR-IOT | ATmega4808 | Wi-Fi | Google Cloud |
PIC-BLE | PIC16LF18456 | Bluetooth | n/d |
PIC-IOT-WA | PIC24FJ128GA705 | Wi-Fi | Amazon Web Services |
PIC-IOT | PIC24FJ128GA705 | Wi-Fi | Google Cloud |
Každý z modulov má doplnkovú komponenty inštalované na DPS. V závislosti od modelu to môžu byť tieto: konektor GPIO poskytujúci priamy prístup k funkcii mikrokontroléra, fyzické tlačidlá, doplnkové LEDky, svetelný senzor (TEMT6000, výlučne verzie Wi-Fi), teplotný senzor (MCP9808 alebo MCP9844) alebo akcelerometer (BMA253, výlučne verzie Bluetooth).
Konektivita a bezpečnosť
WiFi komunikácia sa realizuje prostredníctvom modulu ATWINC1510 vyrábaného spoločnosťou Microchip. Pracuje v pásme 2.4GHz (b/g/n), obsluhuje TCP/IP vo verzii IPv4 a je kompatibilný so šifrovanými sieťami prostredníctvom protokolov WPA/WPA2, TLS a SSL. Produkty určené pre Bluetooth spojenia sú vybavené modul RN4870. Je to overené autorské riešenie Microchip. Umožňuje komunikáciu v štandarde Bluetooth 5 a obsluhuje sa pomocou príkazov odosielaných UART rozhraním UART. Obidva komunikačné moduly (a teda aj všetky prezentované produkty majú certifikáciu pre prevádzku v kľúčových regiónoch sveta: Severnej Amerike, Európe, Japonsku, Kórei, na Taiwane a v Číne.
Dáta odosielané modulmi Microchip ostávajú dodatočne chránené vďaka použitiu šifrovacieho procesora ATECC608A. Je to obvod využívajúci ECC (kryptografia na báze eliptických kriviek). Keďže overovanie (šifrovanie) prebieha v dedikovanom obvode, prebieha rýchlo a spoľahlivo, za vysokej bezpečnosti informácií. Tieto zariadenia sú od začiatku registrované v AWS alebo Google Cloud, čo pre užívateľa znamená ďalšiu úsporu času.
Mikrokontroléry
Moduly, ktorých srdcom sú mikrokontroléry AVR, majú inštalovaný jeden z dvoch obvodov, ATmega3208 alebo ATmega4808. ide o príbuzné, 8-bitové konštrukcie líšiace sa veľkosťou pamäte pre program (príslušne: 32KB a 48KB) a operačnej pamäte (4KB a 8KB). Môžu pracovať pri frekvencii 20MHz. Mikrokontroléry sú vybavené 4 timermi so 16-bitovými frekvenčnými rozdeľovačmi. Užívateľ má k dispozícii aj 12 kanálov A/C prevodníka. Obvody môžu komunikovať s periférnymi zariadeniami pomocou protokolov SPI I2C a USART.
Pokročilejším riešením je mikrokontrolér PIC16LF18456, prítomný v moduloch PIC-BLE. Bol navrhnutý ako energeticky úsporný (technológia eXtreme Low-Power) a pre prácu s mnohými senzormi. Má 12-bitový, 24 kanálový analógovo-digitálny prevodník s funkciou prepočítavania (ADC2). Môže pracovať vez ohľadu na jadro a budiť jadro z režimu spánku – a takto šetriť spotrebu energie. V obvode sa našlo miesto aj pre dva komparátory, dva 10-bitové generátory PWM, štyri 8-bitové a štyri 16-bitové počítadlá a 5-bitový C/A prevodník.
V moduloch PIC-IoT boli použité mikrokontroléry PIC24FJ128GA705. Ide o 16-bitové obvody pracujúce pri frekvencii do 32MHz. Sú určené pre mobilné aplikácie (napájané z akumulátorov). Podobne ako v prípade PIC16LF18456 sú v nich použité CIP technológie, t. j. periférne zariadenia nezávislé od jadra, čo umožňuje ďalšiu úsporu energie. Na báze mikrokontroléra možno vytvoriť dotykovú klávesnicu v kapacitnej technológii. Má tiež vytvorené hodiny reálneho času a 3 analógové komparátory. S komponentmi prítomnými v moduloch PIC-IoT predstavuje tento obvod jednoducho programovateľný a efektívny nástroj, ktorý môže slúžiť na tvorbu pokročilých IoT zariadení.
V nasledujúcom videu je jednoduchá aplikácia, ktorá využíva základné funkcionality modulov Microchip vybavených PIC mikrokontrolérom. Obvod je prepojený so službou Google Nest. Po prijatí výzvy sa stiahne informácia o počasí v danej lokalite. Pomocou jednej z Click dosiek značky Mikroelektronika (v tomto prípade je to ovládač krokového motora) modul nastaví ukazovateľ tak, aby zobrazoval symbol aktuálnych poveternostných podmienok v lokalite zadanej užívateľom.
Zdroj :
Wikipedia - IoT