為IoT和IIoT應用選擇微控制器開發工具包的介紹性指南

作者：貿澤電子Mark Patrick

物聯網（IoT）已經在我們周圍無處不在，對于嵌入式開發工程師來說，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。對于工業生產過程，工業物聯網（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療監測設備，患者可以舒適地在家中休息，并確信由于具備在線監測，在需要時醫護人員會進行現場干預。

由于政府實施的工業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所采納?，F在，大量的傳感器可監測并報告流程每個階段的狀態，并將數據反饋給自動化控制和分析系統。

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

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。

為創建物聯網設備的大概工程規格和參數，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，而連接方法和協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送？

物聯網開發工具包選擇提示和技巧

開發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。在本一節中，我們將著重討論工程師在選擇合適的開發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、主機協議和所有連接協議棧？

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

· 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伙伴的生態系統？

物聯網開發板展示

Microchip WFI32物聯網開發板

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板（參見圖1）。

圖1：Microchip EV36W50A物聯網開發工具包。（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和一個數字環境光IC，開發人員可以通過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，并將數據發送到Amazon AWS云端。演示代碼和完整說明可從GitHub存儲庫獲取。

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

圖3顯示了STEVAL ASTRA1B開發工具包和參考設計，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，能夠測量多種環境和運動參數。全球導航衛星系統（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、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開發工具包，如圖5所示。

圖5：SEMTECH LR1120開發工具包示例。（來源：SEMTECH）

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

LR1120適合多個區域資產定位、庫存管理和防盜應用。

本文前面部分重點介紹了向開發板添加其他傳感器或外圍設備的功能。如Microchip開發板說明中所述，它配備了一個mikroBUS插座。Mikroe開發的mikroBUS已迅速成為許多半導體供應商在開發和評估板上廣泛采用的行業標準。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）

使用物聯網開發工具包繼續前進

由于這些開發板的出現，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。

您打算開發什么？

審核編輯 黃宇