Зная эти секреты, вы заставите ваше IoT-оборудование выглядеть потрясающе

Аппаратное обеспечение Интернета вещей (IoT) включает в себя широкий спектр устройств, таких как датчики, мосты и устройства маршрутизации. Эти устройства IoT выполняют критически важные функции управления такими важными задачами, как активация системы, связь, выполнение условий действий, обеспечение безопасности и обнаружение детальных действий и целей. Ниже вы узнаете об аппаратных устройствах IoT, доступных на сайте MOKOSmart и использующих технологию IoT, об элементах аппаратного обеспечения IoT, архитектуре программного обеспечения IoT и распространённых аппаратных платформах IoT. Кроме того, мы обсудим основные требования к аппаратному обеспечению IoT, необходимые для развёртывания IoT-проекта, а также всё о платах разработки микроконтроллеров, одноплатных компьютерах и процессорах.

Аппаратные компоненты Интернета вещей

В этом разделе мы обсудим некоторые структурные элементы оборудования Интернета вещей.

 Вещь

В Интернете вещей «вещь» представляет собой актив, предназначенный для измерения, мониторинга или управления. Большинство продуктов Интернета вещей полностью интегрируют свои интеллектуальные устройства в «вещь». Например, такие продукты, как беспилотные автомобили и умные холодильники, полностью контролируют и управляют собой.

В некоторых других приложениях, где «вещь» используется как отдельное устройство, конкретный продукт должен быть связан, чтобы подтвердить, что он обладает интеллектуальными возможностями.

Модуль сбора данных

Этот аппаратный компонент Интернета вещей предназначен для получения физических сигналов от контролируемого или наблюдаемого объекта. Впоследствии он преобразует их в цифровые сигналы, которые компьютер может легко интерпретировать и обрабатывать. В этом аппаратном компоненте Интернета вещей содержатся все датчики, помогающие получать сигналы реального мира, такие как давление, плотность, температура, освещённость, вибрация и движение. Приложение определяет количество и тип необходимых датчиков.

Модуль сбора данных также включает в себя необходимое аппаратное обеспечение для преобразования сигналов с входящего датчика в цифровые данные, используемые компьютером. Это включает в себя адаптацию входного сигнала, интерпретацию, аналого-цифровое преобразование, масштабирование и минимизацию шума.

Модуль обработки данных

Он представляет собой важнейший блок, используемый для обработки данных, который выполняет такие операции, как локальное хранение данных, локальная аналитика и другие вычислительные операции.

Модуль связи

Этот модуль обеспечивает эффективную связь между облачной платформой и сторонними системами как в облаке, так и локально.

Аппаратные датчики Интернета вещей

Датчики — важнейший элемент оборудования Интернета вещей. Датчики Интернета вещей состоят из множества модулей, таких как модули управления питанием, радиочастотные модули, сенсорные модули и энергетические модули. Они идеально подходят для применения в:

• Близость
• Оптический рассеянный свет
• Обнаружение утечек
• Измерение температуры и влажности
• Электрический магнетизм
• Ускорение
• Акустика и вибрация
• Определение химических газов
• Рабочий объем
• Принудительное давление

Датчики

Данные Интернета вещей невозможны без датчиков. Все датчики Интернета вещей генерируют аналоговые электрические сигналы, пропорциональные физическим объектам. Датчики используют АЦП (аналого-цифровые преобразователи) для преобразования этих аналоговых сигналов в цифровые данные. Кроме того, с помощью датчиков можно измерять простые электрические характеристики, такие как ток, индуктивность, напряжение, сопротивление и импеданс.

Более того, направление и напряженность магнитных и электрических полей можно измерить с помощью датчиков.

Неэлектрические свойства, измеряемые датчиками, используют преобразователь для преобразования физических свойств в аналоговые электрические сигналы.

Наиболее распространенные физические свойства:

• 3-D параметры, такие как скорость, ускорение, смещение и вибрация.
• Экологические свойства, такие как влажность и температура.
• Динамика жидкости, такая как давление, скорость потока и звук.

Носимые электронные устройства

Это небольшие устройства, которые надеваются на голову, руки, шею, ноги и туловище. Некоторые из носимых электронных устройств, доступных в настоящее время на рынке, включают:

• Умные очки, которые носят на голове
• Воротники, которые носят на шее
• Умные часы, которые носят на руке

Рюкзаки и некоторые другие предметы одежды носят на торсе.

Другие аппаратные устройства Интернета вещей

Мы ежедневно используем устройства, такие как планшеты, мобильные телефоны и настольные компьютеры, как неотъемлемую часть системы Интернета вещей. Мобильные телефоны позволяют осуществлять удалённое управление и другие важные изменения. Настольный компьютер позволяет пользователю полностью контролировать систему.

В то время как планшеты позволяют пользователям получать доступ к основным функциям системы, а также используются в качестве удаленных устройств, стандартизированные сетевые устройства, такие как коммутаторы и маршрутизаторы, образуют другие ключевые подключенные устройства.

Характеристики аппаратного устройства IoT

Благодаря быстрому внедрению новых аппаратных платформ промышленного Интернета вещей, его ландшафт постоянно развивается. Устройства Интернета вещей обладают общими ключевыми характеристиками, которые позволяют оценить их при выборе аппаратного и программного обеспечения для настройки новой сети Интернета вещей или расширения и развития уже существующих сетей. Основные возможности устройств Интернета вещей:

связь

Все устройства Интернета вещей обладают определяющей характеристикой – подключением к сети. Когда устройства Интернета вещей локально взаимодействуют друг с другом, они используют облачные сервисы для публикации данных. Большинство устройств Интернета вещей передают информацию по беспроводной сети, используя Bluetooth-маяк, 802.11 (Wi-Fi), сотовые сети, RFID или технологии LPWAN, такие как SigFox, LoRa или NB-IoT. Все стационарные устройства оснащены проводной системой связи. Эти стационарные устройства устанавливаются в промышленных системах управления, домашней автоматизации и умных зданиях. Стандартные протоколы, такие как Controller Area Network (CAN) или Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART), обеспечивают последовательное соединение устройств.

Управление энергопотреблением

Портативные и носимые устройства, активно использующие беспроводные источники питания, такие как фотоэлектрические элементы и аккумуляторы, считают управление питанием опасным фактором. Большинство пользователей иногда переводят свои устройства в режим пониженного энергопотребления или в спящий режим для экономии заряда батареи. Это зависит от особенностей использования устройства и потребностей в питании соответствующих интегральных схем (ИС), датчиков или исполнительных механизмов. Потребляемая мощность устройства возрастает по мере увеличения количества подключенных компонентов.

Платы разработки микроконтроллеров

Микроконтроллер — это разновидность однокристальной системы (SoC), которая обрабатывает данные и может хранить большие объёмы данных. Он включает в себя память, процессорные ядра и стираемую программируемую постоянную память (EPROM), используемую для хранения всех пользовательских программ, выполняемых на микроконтроллере. Более того, платы разработки микроконтроллеров имеют дополнительную электрическую структуру для поддержки микроконтроллера, что делает их более удобными для программирования или прототипирования с использованием чипа.

Микроконтроллер подключается к исполнительным механизмам и датчикам через аппаратную шину или аналоговые или цифровые выводы ввода/вывода общего назначения (GPIO). Все компоненты, подключенные к шине, используют стандартные протоколы связи, такие как SPI и I2C, а SPI — для связи. Замена или добавление элементов, подключенных к шине, становится более доступным, если пользователь принимает определённые стандарты.

Одноплатные компьютеры (SBC)

Они более импровизированы, чем микроконтроллеры. Одноплатные компьютеры позволяют пользователю подключать периферийные устройства, такие как экраны, клавиатуры и мышь. Кроме того, они обладают большей вычислительной мощностью и большим объёмом памяти. Например, микроконтроллер оснащён 8-битным микропроцессором с частотой 16 кГц, в то время как одноплатные компьютеры оснащены 1.2-битным микропроцессором ARM с частотой 32 ГГц.

Что лучше выбрать между платами разработки микроконтроллеров и одноплатными компьютерами?

Планируя покупку платы разработки на базе микроконтроллера или одноплатного компьютера, важно оценить основные характеристики устройства, соответствующие требованиям вашего приложения. Также примите во внимание следующие решения:

• При необходимости установите количество и тип выходных компонентов и периферийных датчиков, необходимых для схем проектирования компонента.
• Выберите отдельную плату или микроконтроллер для управления и координации компонентов периферийной системы.
• Выберите необходимые протоколы передачи данных, которые могут потребоваться для связи между устройствами. Например, для связи между микроконтроллером и подключенными датчиками используйте интерфейс I2C.
• Определите протоколы и сетевое оборудование, необходимые для взаимодействия с приложениями и облачными сервисами.
• Сравните проектный замысел, которого вы ожидаете достичь после дальнейшего развития вашего ландшафтного дизайна IoT.
• Получите доступ к встроенному программному обеспечению, прототипу, дизайну устройства и выберите лучшие приложения и сервисы. Время от времени вы можете оценивать свои прототипы с учётом функциональных и нефункциональных требований, таких как безопасность, производительность и надёжность. Затем пересматривайте решения, которые, по вашему мнению, необходимы.

Требования к оборудованию Интернета вещей для развертывания вашего проекта Интернета вещей

Устройства Интернета вещей работают только в определённых условиях, и их аппаратные решения сильно различаются, поэтому они являются узкоспециализированными. Тем не менее, можно разработать и спроектировать индивидуальные печатные платы и их компоненты, соответствующие требованиям вашего решения Интернета вещей, создав прототипы на основе стандартного оборудования. При развёртывании проекта Интернета вещей важно учитывать следующие требования к аппаратному обеспечению Интернета вещей:

Требования безопасности

Безопасность — неотъемлемая часть Интернета вещей. Учёт требований безопасности устройства крайне важен на всех этапах разработки и проектирования. Даже при создании прототипа необходимо обеспечить безопасность и целостность данных, собираемых любым устройством. Требования безопасности распространяются на все устройства Интернета вещей, их сети, сервисные приложения веб-сайтов и мобильные устройства.

Легкость развития

Простота разработки — первостепенное требование при создании прототипа. Она позволяет пользователю быстро и эффективно настроить IoT-устройство для сбора данных и взаимодействия с другими устройствами и облаком. При развертывании IoT-проектов учитывайте качество, доступность и готовность документации по API. Также обратите внимание на инструменты разработки и поддержку, предоставляемую производителем устройства или командой разработчиков.

Требования к сбору, обработке и хранению данных

Количество подключенных датчиков, разрешение и частота дискретизации собираемых данных являются основными факторами, определяющими объем обрабатываемых данных. Они также влияют на требования к хранению и обработке данных.

Требования к подключению

Беспроводные сети предъявляют такие требования к подключению, как дальность действия, расстояние, покрываемое передаваемым сигналом, а также прогнозируемый объём данных и передаваемых данных. При проверке требований к подключению устройства важно учитывать отказоустойчивость, возможность повторного подключения и время, необходимое устройству для повторной отправки данных после разрыва соединения.

Требования к питанию

Требования к питанию в основном зависят от скорости передачи данных в сети и количества датчиков в устройстве. Поэтому при развертывании вашего IoT-проекта важно учесть, требуется ли устройству мобильный источник питания, например, суперконденсатор, аккумулятор или же питание по кабелю. Также необходимо знать размер аккумулятора, его ёмкость, вес и то, будет ли он перезаряжаться, заменяться или выбрасываться после разрядки. Если аккумулятор перезаряжаемый, проверьте, каким способом и как часто он заряжается.

Требования к конструкции физического устройства

К ним относятся размер и внешний вид устройства. При проектировании IoT-устройства важно учитывать экологические условия, в которых оно будет установлено. Например, необходимо ли устройству прочное или водонепроницаемое исполнение? Все устройства, устанавливаемые под днищем грузовика в рамках системы мониторинга автопарка, должны быть защищены для обеспечения их бесперебойной работы даже в суровых условиях. Устройство должно быть водонепроницаемым, ударопрочным, устойчивым к грязи и вибрации.

Требования к стоимости

Стоимость исходного оборудования и сопутствующих компонентов, таких как датчики, являются основными факторами, определяющими его стоимость. К другим факторам, определяющим стоимость оборудования, относятся текущие эксплуатационные расходы, такие как расходы на обслуживание и электропитание. Кроме того, важно продумать разумные лицензионные сборы для некоторых устройств и компонентов. Сборка собственных плат обходится дороже покупки готовых плат разработки. При масштабировании сети Интернета вещей с большим количеством инструментов более разумно использовать выделенные аппаратные устройства.

Процессоры

Данные обрабатываются сразу после получения данных с датчиков, а затем передаются в облако. Таким образом, объём обработки данных, необходимый для создания последующих данных с датчиков, и сложность датчиков определяют уровень обработки. Например, показания температуры — это простая иллюстрация среднего значения заданных значений или одного значения данных за определённый период времени. Более того, камера видеонаблюдения, неспособная записывать цифровое видео без алгоритма обнаружения сцен, отмечающего событие, может быть более сложной.

Исходя из сложности и мощности, необходимых для обработки данных, необходимы четыре класса аппаратной обработки IoT. Это:

Системы на базе ПК

Системы на базе ПК представляют собой настраиваемые платформы, позволяющие системным интеграторам легко создавать индивидуальные системы на основе недорогих типовых процессоров, готовых материнских плат, корпусов и блоков питания. Широкие возможности локального хранения данных обеспечиваются, в основном, твердотельными накопителями (SSD) или терабайтными жёсткими дисками.

Мобильные системы

Мобильные системы включают в себя встроенные системы, специально оптимизированные для смартфонов и планшетов. Все мобильные системы требуют частой зарядки, поскольку работают от аккумуляторов. Эти персональные устройства обладают расширенными возможностями управления питанием для экономии энергии и продления срока службы аккумулятора. Кроме того, мобильные системы обладают высокой производительностью.

Встраиваемые системы на базе микропроцессоров (MPU)

Они предлагают широкий спектр возможностей и производительности, отвечающих требованиям конкретных продуктов. Эти требования в первую очередь касаются систем связи, потребительской электроники, автомобильных и промышленных систем управления, медицинских приборов и других вертикальных рынков.

Встраиваемые системы на базе микроконтроллеров (MCU)

Эти системы требуют минимальной вычислительной мощности и предлагают недорогие решения. Тем не менее, микроконтроллеры представляют собой передовые аппаратные модули, предназначенные для имплантации, которые ускоряют обработку изображений и выполняют функции безопасности, такие как криптографическое ускорение обмена открытыми и закрытыми ключами и генерация случайных чисел (TRNG).

Архитектура оборудования Интернета вещей

Микроконтроллеры могут быть использованы для построения аппаратной архитектуры IoT-устройства. Выбор микроконтроллера определяется ресурсами микросхемы, интерфейсами и энергопотреблением системы. Для разработки проекта IoT-аппаратного обеспечения необходимо собрать некоторые характеристики. Эти характеристики помогают окончательно определить идеальный прототип IoT-аппаратного обеспечения и стоимость обязательного комплекта IoT-аппаратного обеспечения. К ним относятся:

• Тип исполнительных механизмов или датчиков
• Тип коммуникационного интерфейса
• Количество собранных и переданных данных
• Частота передачи данных

Архитектура программного обеспечения Интернета вещей

Компоненты с открытым исходным кодом составляют основу архитектуры программного обеспечения Интернета вещей. На рисунке выше показано, как архитектура Интернета вещей обычно используется в большинстве систем. Linux не требует определённой разработки аппаратного и программного обеспечения для Интернета вещей, поэтому он получил более широкое распространение.

В настоящее время большинство компаний стремятся предоставлять готовые фреймворки для Интернета вещей, которые можно использовать в бесчисленном количестве детально проработанных приложений Интернета вещей. Протокол CoAP используется в основном потому, что он предназначен исключительно для приложений Интернета вещей. Этот протокол также предоставляет стандартный механизм для связи с устройствами Интернета вещей.

Распространенные аппаратные платформы Интернета вещей

Аппаратные платформы Интернета вещей являются важнейшими компонентами приложений Интернета вещей. Эти устройства помогут вам быстро создать свой собственный прототип или проект. Некоторые из наиболее распространённых аппаратных платформ, используемых в разработках Интернета вещей:

1. Raspberry Pi – Raspberry Pi широко распространен как небольшая, дешевая вычислительная плата среди фанатов технологий, экспериментаторов и преподавателей.
2. Arduino (Genuino) – это платформа для прототипирования с открытым исходным кодом, основанная на программном и аппаратном обеспечении, которые просты в использовании.
3. ESP8266 — он объединяет микроконтроллер 160 МГц с точками доступа и клиентами, полными стеками TCP/IP и интерфейсом Wi-Fi с DNS.
4. Intel Edison – эта небольшая платформа разработки оснащена 32-байтовым микроконтроллером Intel Quark с процессором Intel Atom.
5. Intel Galileo – эта архитектурная аппаратная платформа AWS IoT на базе Intel представляет собой программный пакет и компьютерное оборудование, совместимое по выводам с платами расширения Arduino, предназначенными для Uno R3.
6. BeagleBone – это открытое устройство, которое легко собрать, поскольку оно представляет собой небольшой компьютер с открытым программным обеспечением, который можно подключить ко всем видам устройств, имеющихся у вас дома.
7. Banana Pi – это одноплатный компьютер, который должен быть миниатюрным, дешевым и достаточно гибким для повседневного использования.
8. Комплект разработчика NodeMCU — это плата, в которой интегрированы ШИМ, АЦП, 1-Wire, GPIO и IIC, поскольку она основана на чипе Wi-Fi ESP8266.
9. Flutter – Flutter оснащен высокоскоростным процессором ARM, встроенным чипом безопасности оборудования IoT, встроенными зарядными батареями и надежной беспроводной связью на большом расстоянии.

Открытый исходный код широко распространен в оборудовании Интернета вещей

Большинство разработчиков IoT знакомы с использованием открытого исходного кода: более 91% из них применяют открытое программное обеспечение, открытые данные или открытое аппаратное обеспечение в нескольких фрагментах своего стека разработки, что делает его более убедительным. Однако менее 2 из 10 разработчиков IoT в основном полагаются на запатентованные технологии, и вероятность того, что они адаптируют вариант с открытым исходным кодом, крайне мала. Использование открытого исходного кода для IoT преобладает среди большинства компаний, производящих это оборудование. Этот высокий уровень использования сохраняется независимо от мотивации разработчика, будь то обучение, развлечение или получение прибыли.

Открытый исходный код — это новая стандартизация

Использование стандартных решений обеспечивает такой же прирост производительности, как и использование открытых стандартов. Кроме того, применение открытых стандартов в открытом исходном коде помогает решать проблемы взаимодействия, что является критически важной проблемой в условиях развивающегося Интернета вещей. Крайне важно всегда учитывать сокращение расходов на обучение новых сотрудников, знакомящихся с используемой вами технологией с открытым исходным кодом. Именно так поступила компания Google, передав свою технологию MapReduce на субподряд. Решения с открытым исходным кодом в основном используются в сфере оборудования Azure IoT.

Открытый исходный код привлекает разработчиков

Открытый исходный код пользуется огромным энтузиазмом среди разработчиков, поскольку они более тонко чувствуют ценности и стандарты, предлагаемые открытым исходным кодом. Более 78% разработчиков IoT предпочитают использовать технологию с открытым исходным кодом хотя бы в одной области разработки, когда это возможно, а не в альтернативах, превосходящих проприетарные решения. Когда компания использует и поддерживает открытый исходный код, она демонстрирует разработчику первоклассную технологию по трём важным аспектам.

1. Приведение в соответствие с этикой и принципами разработчика
2. Подчеркивает ценность вашего решения и поддержку разработчиков
3. Оттеняет технологию как передовую