模塊化物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)與設(shè)備解決方案

大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通常需要多種連接選項(xiàng)和軟件服務(wù)才能實(shí)現(xiàn)最基本的功能。為了滿足日漸嚴(yán)苛的要求，開發(fā)人員必須能從多個來源和工作環(huán)境組合出更多樣的解決方案。

但是，滿足每種解決方案的需求往往需要重新考慮開發(fā)方式。開發(fā)人員不僅要滿足應(yīng)用的基本要求，還要應(yīng)對將不同的解決方案調(diào)和到一個無縫應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn)。使用 Samsung 的 ARTIK 平臺，開發(fā)人員可以獲得一種更簡便的方法，將兼容的硬件模塊和軟件服務(wù)組合在單個統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)和部署平臺中。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)問題

對于開發(fā)人員來說，與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用相關(guān)的諸多要求可能會令人生畏。傳感器系統(tǒng)必須提供準(zhǔn)確的信號調(diào)節(jié)和精確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時確保最小噪聲和最大帶寬。無線設(shè)備需要輕松地裝入應(yīng)用的現(xiàn)有通信基礎(chǔ)設(shè)施中，從而提供足夠的射頻發(fā)射功率，同時降低總體功耗。

在更高層級，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要通過中間主機(jī)（如智能手機(jī)）或通過本地網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)有效的云連接。同時，開發(fā)人員必須確保端到端的安全措施能夠緩解威脅，保護(hù)整個物聯(lián)網(wǎng)信息鏈中任意鏈路上的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用免受攻擊。

當(dāng)開發(fā)人員解決這些單獨(dú)的問題領(lǐng)域時，他們可能會很容易變得缺乏辨別力：如果他們將重點(diǎn)放在每組垂直需求上，就會忽略應(yīng)用的更廣泛需求。這會使他們過分投入于可能偏離初衷的設(shè)計路線上。

像 Samsung ARTIK 解決方案這樣的端到端平臺，可通過提供一整套能輕松組合到完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的硬件和軟件組件，幫助物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員避免一葉障目及其造成的后果。

統(tǒng)一的組件和服務(wù)平臺

Samsung ARTIK 生態(tài)系統(tǒng)提供了一個統(tǒng)一的組件和服務(wù)平臺，旨在解決整個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層級結(jié)構(gòu)問題。在物聯(lián)網(wǎng)層級結(jié)構(gòu)的最低層，硬件模塊支持高性能數(shù)據(jù)采集和信號處理，同時提供多個無線連接選項(xiàng)。

在較高層，ARTIK 云提供廣泛的本地和第三方服務(wù)。貫穿整個平臺，統(tǒng)一的安全模型為開發(fā)人員提供了一系列一致的服務(wù)，以確保只有授權(quán)設(shè)備、服務(wù)和用戶才能訪問底層資源或物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用本身。

集成模塊

作為 ARTIK 生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，一系列可互換的硬件模塊為無線傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)提供了直接替代型解決方案。例如，Samsung ARTIK 053 模塊將 ARM? Cortex?-R4 處理器、存儲器和外設(shè)接口與專用子系統(tǒng)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn) Wi-Fi 連接和安全性。開發(fā)人員通過一整套串行接口和器件引腳（包括 GPIO、PWM、串行接口和一個轉(zhuǎn)換率超過 1 M 次采樣/秒的 4 通道 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)）訪問模塊子系統(tǒng)（圖 1）。

圖 1：與 ARTIK 系列中的其他模塊一樣，ARTIK 053 模塊提供了完整的無線系統(tǒng)（包含處理器、存儲器、接口和專用子系統(tǒng)），以實(shí)現(xiàn)安全性和無線連接。（圖片來源：Samsung Semiconductor）

在其 ARTIK 模塊中，Samsung 將多個專用系統(tǒng)（如通信和安全系統(tǒng)）組合在一個緊密集成的設(shè)計中，該設(shè)計圍繞適合特定物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備類別的 ARM Cortex 處理器而構(gòu)建。例如，053 模塊旨在用作能夠進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集和控制的終端物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。因此，053 模塊使用 ARM Cortex-R4。這是 ARM Cortex-R 系列的最小成員之一，該系列專為低功耗的實(shí)時應(yīng)用而設(shè)計。

ARM Cortex-R4 以 320 MHz 的頻率運(yùn)行，利用單獨(dú)的指令和數(shù)據(jù)高速緩存，以最大限度地提高需要快速響應(yīng)的設(shè)計的性能。與其他 ARTIK 模塊一樣，053 通過模塊自帶存儲器擴(kuò)展了處理器集成的存儲器，在這種情況下，有 8 MB 閃存和 1280 KB RAM 可用于一般用途。

除了支持 Wi-Fi 的 053 模塊以外，開發(fā)人員還可以找到其他可提供 053 類處理功能的 ARTIK 模塊，但它們具有不同的無線連接選項(xiàng)。例如，ARTIK-020-AV2R 模塊針對用于與智能手機(jī)和其他移動設(shè)備交互的物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)，提供完整的低功耗藍(lán)牙子系統(tǒng)。

無論連接方式如何，設(shè)備層級結(jié)構(gòu)中任何層級的任何物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都需要支持穩(wěn)健的安全策略，以便緩解物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中存在的多種來源造成的威脅。Samsung 在其每個 ARTIK 模塊中將端到端安全策略建立在基于硬件的安全機(jī)制基礎(chǔ)之上。例如，053 模塊集成了一個全面的安全子系統(tǒng)，其中包括加密引擎、真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、安全密鑰存儲和受保護(hù)的執(zhí)行環(huán)境。

053 模塊還包括一個物理不可克隆功能 (PUF) 單元，它支持?jǐn)?shù)字指紋，旨在防止偽造并防止可能由偽造設(shè)備產(chǎn)生的中間人攻擊。

直接替代型解決方案

對于 053 和其他 ARTIK 模塊的所有功能，開發(fā)人員都可以相對輕松地將這些全面實(shí)現(xiàn)的無線系統(tǒng)應(yīng)用于設(shè)計中。ARTIK 053 模塊需要幾個額外組件來完成硬件接口。事實(shí)上，該模塊的 GPIO 可以直接驅(qū)動高達(dá) 12 毫安 (mA) 的電流，而無需額外緩沖。在輸入端，模塊的 GPIO、I2C、SPI 和調(diào)試端口提供相對較高的阻抗輸入，僅消耗 3 微安 (μA) 電流（最大值，無下拉電阻）。開發(fā)人員可以直接從電壓源驅(qū)動模塊的 ADC 通道，但是他們可能需要添加低噪聲運(yùn)算放大器來放大或衰減這些源信號，以匹配 ADC 的 0 至 1.8 伏特輸入電壓范圍。

對于印刷電路板物理設(shè)計，工程師直接將 79 引腳 15 x 40 mm 模塊焊接到目標(biāo)電路板上，或焊接到位于模塊和目標(biāo)板之間的載板。由于內(nèi)置有射頻子系統(tǒng)，模塊的定位至關(guān)重要。不過，Samsung 提供了詳細(xì)的機(jī)械規(guī)格，用于在將 053 模塊布置到電路板時優(yōu)化射頻性能（圖 2）。

圖 2：開發(fā)人員可以使用 Samsung 的原理圖和設(shè)計方針（例如，用于確保在印刷電路板布局中獲得最佳射頻性能的走線建議）快速地將 ARTIK 模塊集成到自己的設(shè)計中。（圖片來源：Samsung Semiconductor）

在定制 PCB 設(shè)計和生產(chǎn)之前，開發(fā)人員可以使用相關(guān)的 ARTIK 開發(fā)套件根據(jù)這些模塊來評估物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計。例如，ARTIK 053 入門套件 (SIP-KITNXF001) 開發(fā)板通過內(nèi)插器板容納 053 模塊，并提供測試 LED、按鈕、USB 連接、Arduino 盾板接口連接器和 I/O 分線連接器（圖 3）。

圖 3：開發(fā)人員可以使用將 053 模塊與電源、IO 連接器、LED 和按鈕結(jié)合在一起的 ARTIK 053 入門套件開發(fā)板，快速開始 ARTIK053 模塊評估。（圖片來源：Samsung Semiconductor）

在開發(fā)期間除了通過其 USB 接口為電路板供電以外，工程師還可以通過其 5 - 12 伏特直流電源插孔或 5.6 - 6.4 伏特外部電池連接分別為獨(dú)立電路板供電。

對于硬件開發(fā)，Samsung 提供了完整的原理圖和 BOM，讓開發(fā)人員在其定制設(shè)計中先拔頭籌。如前所述，該模塊的硬件接口要求非常簡單。原理圖中指定的入門套件參考設(shè)計將未緩沖的數(shù)字信號從板連接器傳遞到該模塊。對于 ADC 輸入，原理圖展示了如何使用簡單的電阻網(wǎng)絡(luò)來提供所需的電壓源（圖 4）。

圖 4：ARTIK 053 入門套件原理圖展示了 053 模塊的簡單接口要求，其中包括用于為模塊的四個 ADC 輸入通道提供電壓源的基本電阻網(wǎng)絡(luò)。（圖片來源：Samsung Semiconductor）

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

Wi-Fi 053 和藍(lán)牙 052 等模塊為物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計提供了解決方案。然而，在更復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)層級結(jié)構(gòu)中，物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員通常在終端節(jié)點(diǎn)上方的層中添加高性能處理節(jié)點(diǎn)。這些中間節(jié)點(diǎn)充當(dāng)云的網(wǎng)關(guān)，通常在本地層聚合和預(yù)處理數(shù)據(jù)，確保終端節(jié)點(diǎn)之間具有短暫的延遲回路，或者在定期從云斷開連接時緩沖終端節(jié)點(diǎn)。

Samsung 使用一系列模塊解決了這些要求，這些模塊基于功能越來越強(qiáng)大的 ARM Cortex-A 應(yīng)用處理器。例如，ARTIK 520 模塊 (SIP-005AYS001) 基于一個雙核 32 位 ARM Cortex-A7 構(gòu)建，ARTIK 530 (SIP-005AFS301) 提供一個四核 32 位 ARM Cortex A-9，ARTIK 710 (SIP-007AFS001) 提供一個八核 64 位 ARM Cortex A-53 處理器。由于其通用設(shè)計，開發(fā)人員可以混合搭配這些模塊，以滿足特定的處理負(fù)載和性能要求。

除了功率處理功能外，其中每個模塊還提供了一系列穩(wěn)固的外設(shè)和接口，用以滿足網(wǎng)關(guān)設(shè)備的更廣泛要求。例如，除了增加 ADC 和 GPIO 通道的數(shù)量外，ARTIK 530 還通過一個高達(dá) 1920 x 1080 @ 30 幀/秒 (fps) 的 4 通道 MIPI 攝像機(jī)接口、一個高達(dá) 1920 x 1080 @ 60 fps 的 4 通道 MIPI 顯示器接口和兩個音頻 IO 通道提供用戶接口支持。

隨著外設(shè)支持的增強(qiáng)，ARTIK 520/530/710 模塊可滿足網(wǎng)關(guān)設(shè)計的另一個關(guān)鍵要求。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備通常需要與各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行通信。因此，這些網(wǎng)關(guān)模塊支持多種無線選項(xiàng)，包括 Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee、Thread 及以太網(wǎng)。

由于支持更廣泛的網(wǎng)關(guān)設(shè)計要求，ARTIK 520/530/710 模塊通常相應(yīng)地需要更多的設(shè)計工作。然而，對于開發(fā)人員來說，Samsung 會通過提供相關(guān)開發(fā)板每個網(wǎng)關(guān)模塊提供支持，這些開發(fā)板包括 ARTIK 520 套件 (SIP-KITNXB001)、530 套件 (SIP-KITNXD001) 和 710 套件 (SIP-KITNXE001)。除了每個套件的開發(fā)板外，Samsung 還提供完整的參考設(shè)計，包括原理圖、BOM 和印刷電路板物理布局。

這些套件展示了更復(fù)雜的模塊接口設(shè)計，以及開發(fā)人員可能需要的其他網(wǎng)關(guān)設(shè)備組件。與 053 內(nèi)插器板和平臺板的簡單設(shè)計不同，這些套件包括支持網(wǎng)關(guān)模塊擴(kuò)展功能所需的重要零件清單。

例如，ARTIK 530 開發(fā)板添加了音頻編解碼器、USB 控制器、電池充電器和電量計，甚至是用于其他 GPIO 和 ADC 通道的 Microchip Technology ATMEGA48PB-M AVR MCU（圖 5）。

圖 5：ARTIK 530 開發(fā)板展示了一個復(fù)雜網(wǎng)關(guān)設(shè)備的設(shè)計——將 ARTIK 530 模塊與外部 Microchip Technology ATMEGA48PB-M MCU、音頻編解碼器、以太網(wǎng)和 USB 組件以及電池管理電路結(jié)合在一起。（圖片來源：Samsung Semiconductor）

與 053 開發(fā)板的簡單設(shè)計不同，530 套件包括平臺板、一個容納 530 模塊的內(nèi)插器板和一個用于額外擴(kuò)展的接口 (IF) 板。如果 053 內(nèi)插器僅用作 053 模塊的載板，那么 530 內(nèi)插器板會直接支持 530 模塊的大部分功能。因此，在將該模塊集成到網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計中時，530 內(nèi)插器板起著更積極的作用，提供的功能如電平轉(zhuǎn)換，以支持與不同設(shè)計組件關(guān)聯(lián)的不同功率域。

開發(fā)套件和相關(guān)原理圖展示了滿足這些更廣泛的接口要求所需的特定設(shè)計解決方案。例如，參考設(shè)計顯示了設(shè)計人員如何集成 ON Semiconductor NLSX4373MUTAG 2 位和 NLSX5014MUTAG 4 位電平轉(zhuǎn)換器，以便可靠地連接設(shè)計中的關(guān)鍵線路（圖 6）。

圖 6：開發(fā)人員可以利用 ARTIK 網(wǎng)關(guān)參考設(shè)計，獲取使用現(xiàn)成的數(shù)字控制線路電平轉(zhuǎn)換器連接 ARTIK 520/530/710 模塊的詳細(xì)信息。（圖片來源：Samsung Semiconductor）

總結(jié)

在過去處理復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求時，開發(fā)人員別無選擇，只能硬著頭皮處理來自多個廠家的不同組件以及因此帶來的集成挑戰(zhàn)。然而，使用 ARTIK 生態(tài)系統(tǒng)后，開發(fā)人員可以將兼容的硬件模塊結(jié)合在一起，從而滿足物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)中無線連接、功能和性能的特定要求。

為了提供完整的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備解決方案，ARTIK 模塊集成了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)所需的所有組件，或?yàn)閷?shí)現(xiàn)更復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)設(shè)計提供了基礎(chǔ)。有了 ARTIK 開發(fā)套件和原理圖作為構(gòu)建基礎(chǔ)，開發(fā)人員能夠快速實(shí)現(xiàn)可提供任何物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用硬件基礎(chǔ)的設(shè)備。如第 2 部分所述，開發(fā)人員可以進(jìn)一步利用 ARTIK 生態(tài)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，快速完成其物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的端到端設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。