首頁企業(yè)服務(wù)Pycom多技術(shù)無線板的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)方案Pycom多技術(shù)無線板的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

      Pycom多技術(shù)無線板的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)方案


      物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用的開發(fā)人員需要確保他們的無線傳感器系統(tǒng)能夠無縫連接到基于云的軟件和服務(wù)。但是,這通常需要選擇和使用多個(gè)無線接口。確保這些接口都能滿足他們的要求,可讓他們不再將注意力集中在更高級別的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用本身。

      為了解決這個(gè)問題,許多供應(yīng)商都提供了開發(fā)板和軟件,幫助物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員快速部署能夠通過局域網(wǎng)、中型網(wǎng)絡(luò)和廣域網(wǎng)進(jìn)行無線連接的傳感器設(shè)備。

      本文將介紹 Ltd. 提供的一個(gè)此類解決方案,并說明其特征和特性,然后展示如何應(yīng)用。

      對于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言,高效的無線連接是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要求。迄今為止,沒有任何一種無線技術(shù)成為首選的連接解決方案。事實(shí)上,沒有任何一種無線技術(shù)可能占據(jù)優(yōu)勢地位,因?yàn)闊o線提供商總能提供更加有效的替代方案。

      物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的使用案例非常多,這就使得單一連接解決方案的概念變得更加復(fù)雜。相同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可能提出不同的連接要求,這取決于用戶的物理位置、數(shù)據(jù)吞吐量要求和其他條件。有時(shí),同一個(gè)應(yīng)用可能要求同一部物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備支持使用藍(lán)牙與附近用戶進(jìn)行交互,使用 Wi-Fi 與其他本地資源交互,使用 LTE 蜂窩網(wǎng)絡(luò)在 Wi-Fi 范圍外保持連接,甚至是使用 或 與流入中央物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)或控制器的其他地理位置分散型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相連接。

      如果這些設(shè)備能夠支持使用所有這些技術(shù)進(jìn)行靈活連接,那么將為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)人員帶來顯著競爭優(yōu)勢。早期實(shí)現(xiàn)這種多技術(shù)連接的方法導(dǎo)致設(shè)計(jì)過于復(fù)雜、成本過高,或者體積過大,以至無法滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)要求。即使使用較早的無線收發(fā)器,開發(fā)人員也面臨著與射頻信號路徑優(yōu)化、降噪、物理布局等相關(guān)的挑戰(zhàn)。

      對于開發(fā)人員而言,為單個(gè)無線技術(shù)構(gòu)建優(yōu)化的硬件解決方案已經(jīng)非常困難。在旨在支持多種無線技術(shù)的硬件設(shè)計(jì)中,復(fù)雜性甚至還會顯著增加。即便在設(shè)計(jì)了合適的硬件之后,軟件工程師還要應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中爭奪相同有限資源的多個(gè)協(xié)議棧和軟件服務(wù)。

      不足為奇的是,有效的多技術(shù)無線連接解決方案的部署,在最好的情況下也是有限的。 的多技術(shù)無線板和軟件可降低無線物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的復(fù)雜性,只需組合一些硬件和軟件即可,從而解決了這些難題。

      無線選項(xiàng)

      FiPy 和 GPy 是 55 x 20 x 3.5 毫米(mm)板,旨在為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)提供完整的多技術(shù)無線解決方案。與大多數(shù)無線產(chǎn)品不同,F(xiàn)iPy 支持藍(lán)牙 4.2、IEEE 802.11b/g/n Wi-Fi、窄帶 LTE、 和 。GPy 板不包含 和 ,但提供與 FiPy 相同的功能。本文重點(diǎn)介紹 FiPy 板。

      在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品中,支持 LTE 蜂窩網(wǎng)絡(luò)是一種快速興起的趨勢。 的 LTE 解決方案是為其不斷擴(kuò)大的支持蜂窩網(wǎng)絡(luò)的電路板系列而設(shè)計(jì)的,支持 LTE Cat M1 和 NB-IoT,在降低功耗的同時(shí)保持與大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備要求相符的吞吐量水平。通過利用這些不同的連接選項(xiàng),開發(fā)人員可以優(yōu)化其無線實(shí)現(xiàn),以滿足靜態(tài)或動態(tài)應(yīng)用對范圍、吞吐量和功耗的需求。

      該板為除連接之外的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)要求提供了一個(gè)合適的平臺。FiPy 的核心是 SoC,集成了雙處理器、8 MB 閃存、4 MB 的 RAM,還有一個(gè)提供藍(lán)牙和 Wi-Fi 連接的射頻無線電子系統(tǒng)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處理器執(zhí)行通信協(xié)議棧時(shí),主處理器可以運(yùn)行用戶代碼。

      SoC 帶有多通道 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和一對 8 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC),可以滿足基本物聯(lián)網(wǎng)感測要求。除了標(biāo)準(zhǔn)串行接口、GPIO 和串行接口, 還通過板的可配置端口,提供模擬和射頻功能(圖 1)。

      網(wǎng)站構(gòu)建技術(shù)_構(gòu)建網(wǎng)站技術(shù)方案_構(gòu)建網(wǎng)站技術(shù)路線圖

      圖 1: FiPy 板引出了其處理器的引腳,開發(fā)人員可以將其映射到處理器的集成模擬和數(shù)字功能。(圖片來源:)

      除了廣泛的功能外,F(xiàn)iPy 還提供節(jié)能特性,以滿足以電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的節(jié)能要求。例如,開發(fā)人員可以將處理器置于深度休眠模式,并使用專用的超低功耗 (ULP) 處理器來處理 I/O 活動,電力消耗低至 25 微安 (μA)。ULP 處理器獨(dú)立于主處理器工作,可執(zhí)行用戶代碼來訪問 GPIO,或者使用 SoC 的集成 ADC 或 DAC 執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,為開發(fā)人員提供靈活的低功耗操作平臺,而不會影響外設(shè)工作。

      插件硬件增強(qiáng)

      對于具有更廣泛感測要求的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì),開發(fā)者可將 FiPy 與 的 感測板和 位置跟蹤板結(jié)合起來。

      對于感測應(yīng)用, 板提供 加速計(jì)、 Labs -A20 溫度/濕度傳感器、Lite-On LTR--01 環(huán)境光傳感器、NXP 壓力傳感器——所有這些均通過板的共享 I2C 串行總線進(jìn)行連接(圖 2)。在正常工作狀態(tài)下,所有這些傳感器都消耗最小的功率。例如,NXP 壓力傳感器在正常采樣模式下僅消耗 40 μA,而功耗最大的傳感器 Lite-On LTR--01 環(huán)境光傳感器則消耗大約 250 μA。其他兩個(gè)傳感器分別消耗大約 150 μA。

      構(gòu)建網(wǎng)站技術(shù)方案_構(gòu)建網(wǎng)站技術(shù)路線圖_網(wǎng)站構(gòu)建技術(shù)

      圖 2:通過將 FiPy 插入 板,開發(fā)人員可以構(gòu)建出能夠使用多個(gè)無線連接選項(xiàng)的多傳感器物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。(圖片來源:)

      由于 和 FiPy 的功耗需求相對較低,開發(fā)人員可以使用電池運(yùn)行基于 的設(shè)計(jì)長達(dá)數(shù)年。 板包括 的 電池充電器 IC 和連接器,使用帶有 JST 連接器的合適可充電電池(例如 270 毫安小時(shí) (mAh) 鋰離子聚合物 (LiPo) 電池)為設(shè)計(jì)供電。

      對于位置跟蹤應(yīng)用, 板結(jié)合了精確的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) GPS 傳感器和加速計(jì),以及與 中所用相同的 LiPo 電池充電子系統(tǒng)。

      和 傳感器板上的針座提供了一個(gè)簡單的解決方案,可構(gòu)建專用于每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的硬件平臺。開發(fā)人員只需將 FiPy 板插入適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展板,即可創(chuàng)建特定的硬件配置。對于不需要 或 連接的應(yīng)用,開發(fā)人員可以改為使用 GPy 板。

      插件軟件增強(qiáng)

      對于原型開發(fā)而言,組合多個(gè)板來擴(kuò)展整體硬件功能是常見而重要的功能。但在過去,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的硬件增強(qiáng)可能會在軟件方面帶來重大挑戰(zhàn),因?yàn)殚_發(fā)人員要努力尋找和集成支持特定硬件配置所需的不同軟件驅(qū)動程序和中間件。由于能夠支持 , 讓應(yīng)用軟件開發(fā)變得非常簡單,就如同將插件板用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備硬件一樣。

      采用 語言,利用面向硬件的支持來增強(qiáng)其功能。同時(shí), 消除了嵌入式系統(tǒng)中不需要的 功能,增強(qiáng)了性能,同時(shí)減少了資源受限的嵌入式設(shè)計(jì)的存儲器空間占用。

      與 相同, 讓開發(fā)人員只需導(dǎo)入一個(gè)模塊即可添加特定軟件功能。例如,開發(fā)人員只需加載 ADC 模塊和讀取值,即可對 FiPy 的集成 ADC 進(jìn)行編程(列表 1)。

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      adc = .ADC() # an ADC

      apin = adc.(pin=‘P16’) # an pin on P16

      val = apin() # read an

      列表 1:與 相同, 允許開發(fā)人員通過導(dǎo)入軟件模塊來增強(qiáng)其軟件功能,從而提供了一種簡單方法來添加硬件特定的功能,如從模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 讀取數(shù)據(jù),如下所示。(代碼來源:)

      正如開發(fā)人員可以輕松地通過擴(kuò)展板來增強(qiáng)設(shè)計(jì)一樣,他們可以通過導(dǎo)入適當(dāng)?shù)哪K來增加補(bǔ)充支持。將無線板插入擴(kuò)展板后,開發(fā)人員只需將相應(yīng)的 模塊添加到其代碼中即可。

      的編程模型讓開發(fā)人員能夠無縫地使用這些模塊來快速實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。與列表 1 所示的對 ADC 硬件的軟件支持相同,對硬件擴(kuò)展(例如 )的軟件支持只需開發(fā)人員導(dǎo)入相應(yīng)的模塊即可。除了一套完整的傳感器專用模塊,還提供了演示其在典型軟件應(yīng)用中使用的示例軟件,可以隨時(shí)使用。例如,為了讀取 的 溫度和濕度傳感器,在實(shí)例化用于讀取傳感器的溫度值 (si.()) 和濕度值 (si.()) 的 對象 ((py)) 之前,開發(fā)人員只需導(dǎo)入 模塊和傳感器專用模塊(列表 2)。

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      from

      from

      from

      from

      from ,,

      py = ()

      mp = (py,mode=) # in . Mode may also be set to , a in

      si = (py)

      lt = (py)

      li = (py)

      (mp.())

      (mp.())

      mpp = (py,mode=) # in Pa. Mode may also be set to , a in

      (mpp.())

      (si.())

      (si.())

      (lt.())

      (li.())

      (li.roll())

      (li.())

      (py.())

      列表 2:開發(fā)人員可以學(xué)習(xí) API 和相關(guān)軟件示例,以便使用 硬件板中集成的傳感器特定 模塊。(代碼來源:)

      由于采用了這種模塊化方法,實(shí)現(xiàn)無線連接同樣簡單。開發(fā)人員只需為所需的無線技術(shù)導(dǎo)入適當(dāng)?shù)哪K,以及用于 或 MQTT 等協(xié)議的其他模塊。除了這些無線通信模塊之外, 示例軟件還演示了開發(fā)人員如何快速建立 Wi-Fi 連接,并使用 MQTT 與 IO 等基于云的服務(wù)進(jìn)行交互(列表 3)。 IO 在原型開發(fā)免費(fèi)服務(wù)計(jì)劃中提供,是簡單的云資源,設(shè)計(jì)用于創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流流程,包括輸入數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)管理和分析。

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      from mqtt

      time

      from WLAN

      def (, msg):

      (“: “ + msg)

      wlan = WLAN(mode=WLAN.STA)

      wlan.(“”, auth=(WLAN.WPA2, “”), =5000)

      not wlan.():

      .idle()

      (“ to Wifi\n”)

      = (“”, “”,user=“”, =“”, port=1883)

      .()

      .()

      .(=“//”)

      True:

      (“ ON”)

      .(=“//”, msg=“ON”)

      time.(1)

      (“ OFF”)

      .(=“//”, msg=“OFF”)

      time.(1)

      列表 3: 的示例軟件演示了開發(fā)人員如何使用幾個(gè)簡單的 Wi-Fi 模塊調(diào)用(以黃色突出顯示),通過 MQTT 與基于云的資源(例如此處所示的 IO)進(jìn)行交互。(代碼來源:)

      多技術(shù)無線板與 相結(jié)合,為開發(fā)無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的平臺,能夠動態(tài)響應(yīng)不斷變化的連接環(huán)境。很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都要求隨時(shí)訪問傳入的數(shù)據(jù)流。但是,舉例來說,每當(dāng)局域網(wǎng)發(fā)生故障,或者由于干擾或網(wǎng)絡(luò)事件導(dǎo)致本地 Wi-Fi 信號強(qiáng)度下降時(shí),應(yīng)用將無法訪問旨在通過 Wi-Fi LAN 與云進(jìn)行交互的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。但是,對于 板,開發(fā)人員只需切換到另一個(gè)無線連接選項(xiàng)即可。

      例如,要通過 LTE 蜂窩服務(wù)連接,開發(fā)人員只需使用 LTE 模塊。相同的底層方法允許開發(fā)人員在 Wi-Fi 和 LTE 蜂窩連接之間進(jìn)行切換,而無需更改構(gòu)建來與主機(jī)交互或提供應(yīng)用級別功能的更高級代碼。例如,要使用 LTE 連接,開發(fā)人員只需加載 LTE 模塊,并且實(shí)例化相應(yīng)的 LTE 對象,然后連接到提供商服務(wù)。因此,開發(fā)人員只需稍作改動,即可在應(yīng)用中切換到 LTE 連接(列表 4)。

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      from mqtt

      time

      from LTE

      def (, msg):

      (“: “ + msg)

      lte = LTE()

      lte.()

      not lte.():

      .idle()

      (“ to LTE\n”)

      = (“”, “”, user=“”, =“”, port=1883)

      .()

      .()

      .(=“//”)

      True:

      (“ ON”)

      .(=“//”, msg=“ON”)

      time.(1)

      (“ OFF”)

      .(=“//”, msg=“OFF”)

      time.(1)

      列表 4: 示例軟件演示了開發(fā)人員如何使用 LTE 連接(以藍(lán)色突出顯示)而不是 Wi-Fi(在列表 3 中以黃色突出顯示),執(zhí)行與云資源交互的更高級操作。(代碼來源:)

      同樣的常規(guī)方法也適用于將連接切換到藍(lán)牙、 或 ,以響應(yīng)變化的條件。因此,開發(fā)人員可以構(gòu)建出能夠輕松支持各種無線連接技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。當(dāng)操作或功能要求需要切換到不同的連接選項(xiàng)時(shí)(甚至在運(yùn)行時(shí)期間進(jìn)行切換),開發(fā)人員就可以輕松實(shí)現(xiàn)所需的動態(tài)切換功能,以保持可用性或滿足不斷變化的性能要求。

      總結(jié)

      開發(fā)人員可以使用專門為支持多種無線技術(shù)(包括藍(lán)牙、Wi-Fi、LTE、 和 )而構(gòu)建的 板,快速滿足新興的無線連接要求。通過將這些板與基于 的軟件相結(jié)合,開發(fā)人員可以快速實(shí)現(xiàn)能夠響應(yīng)不斷變化的無線連接要求的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。


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