物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點肯定會數(shù)以百億計，很多情況下，相關(guān)應(yīng)用將對成本相對敏感，所以必須考慮每個節(jié)點相關(guān)的物料清單。此外，還需要考慮每個節(jié)點的功耗，因為大量的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點將被放置在沒有電力線的偏遠(yuǎn)地點，這時只能由電池供電，盡可能延長電池的使用時間至關(guān)重要。
種種跡象表明，2017將是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)取得重大發(fā)展的一年。產(chǎn)業(yè)研究公司IHS的報告預(yù)測，今年年底連接設(shè)備的數(shù)量將增長15%，達(dá)到200億臺。這無疑會給經(jīng)濟(jì)、物流和環(huán)境帶來潛在的好處，可望在不同領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。依賴高度自動化的工業(yè)流程將應(yīng)運而生，從而提供更安全、更高效和更可靠的系統(tǒng)，更智能、更節(jié)能的居住場所，以及更少打擾和更便利的病人護(hù)理。
從一開始，半導(dǎo)體制造商就清楚物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該怎樣實現(xiàn)才有效。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點肯定會數(shù)以百億計，很多情況下，相關(guān)應(yīng)用將對成本相對敏感，所以必須考慮每個節(jié)點相關(guān)的物料清單。此外，還需要考慮每個節(jié)點的功耗，因為大量的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點將被放置在沒有電力線的偏遠(yuǎn)地點，這時只能由電池供電，盡可能延長電池的使用時間至關(guān)重要(工程師到現(xiàn)場更換電池將花費額外的時間和成本)。根據(jù)具體應(yīng)用，其他一些因素也會影響物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點運作，如空間限制、惡劣的應(yīng)用環(huán)境等。
在部署物聯(lián)網(wǎng)時會采用不同的無線和有線通訊協(xié)議。一些協(xié)議已相當(dāng)成熟，而另一些正在興起。有線協(xié)議包括用于樓宇自動化的KNX和工業(yè)用控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)或以太網(wǎng)絡(luò)。大多數(shù)無線通信協(xié)議將專注于短距離、超低功耗工作，如Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave和藍(lán)牙低功耗(BLE)。無線協(xié)議還有低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)協(xié)議，適于距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)量低的應(yīng)用，其功耗極低(如Sigfox和LoRa)。能夠替代低功耗協(xié)議的，還有用于廣域網(wǎng)、基于蜂巢技術(shù)的協(xié)議，如LTE-M、窄頻物聯(lián)網(wǎng)(NarrowBand IoT，NB-IoT)和5G。
傳感器/致動器(Actuator)是真正驅(qū)動物聯(lián)網(wǎng)工作的組件。所有的數(shù)據(jù)都可由傳感器捕獲并加以分析;相反，致動器可用來驅(qū)動電機(jī)、啟動照明等。從一些應(yīng)用實例可以看出，傳感器和致動器相結(jié)合，再加上連結(jié)技術(shù)，是核心所在。在住宅/樓宇自動化應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)中的多個被動式紅外線(PIR)探測器可以確定人的移動，LED驅(qū)動器可以根據(jù)人的移動啟動對應(yīng)房間的照明。
在工業(yè)應(yīng)用中，如大型園藝場，許多不同的傳感器可以監(jiān)測環(huán)境光照、溫度、濕度、土壤水分等。當(dāng)某個參數(shù)超出預(yù)先設(shè)定的閾值范圍，就要采取相應(yīng)的行動。例如，當(dāng)溫度太高時，可以啟動馬達(dá)以打開溫室的窗戶。另外，如果光照沒有達(dá)到最佳，不能最大程度提高產(chǎn)量，便可透過鏈接的LED驅(qū)動器進(jìn)行調(diào)節(jié)。
空間、成本和功耗預(yù)算限制，意味著物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點需遵循精簡設(shè)計理念，只提供可輕松支持的功能。在設(shè)定微處理器和內(nèi)存芯片的參數(shù)規(guī)范時，需主要考慮的因素是價格低、不耗電，且不會占用過多PCB面積。因此，一個強制性的要求是必須能夠連接基于云端的服務(wù)，在云端處理并分析數(shù)據(jù)，以彌補節(jié)點功能不足。在云端使用相關(guān)應(yīng)用程序的能力將使物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計不受節(jié)點級的限制，同時被收集的、有價值的數(shù)據(jù)也能被充分利用，這樣可以實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)處理和儲存能力。
到目前為止，在物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)中，電子硬件供貨商和云端服務(wù)供貨商幾乎完全隔離。他們都停留在自己擅長的領(lǐng)域，這已經(jīng)影響物聯(lián)網(wǎng)無法快速增長，因為不得不單獨考慮硬件和軟件開發(fā)令人厭煩。硬件工程師不想離開自己的舒適區(qū)而去面對寫大量程序代碼的困難;同樣，軟件開發(fā)人員也不想局限于一個不給他們足夠靈活度的開發(fā)平臺。
物聯(lián)網(wǎng)的布建建立在各種基礎(chǔ)之上。節(jié)點級關(guān)注的是高效和可靠的運行，使傳感器擷取到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析/處理能夠被返回，或者致動器能夠在需要的時候啟動。為此，必須針對眼前的特定任務(wù)對采用的鏈接技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。再進(jìn)一步，就是如何確保與云端的互動是有效的。
物聯(lián)網(wǎng)一直以來真正需要的是能同時解決所有這些問題的技術(shù)。從硬件的角度，要為工程師提供必要的鏈接技術(shù)、傳感器和致動器，以創(chuàng)建滿足特定應(yīng)用需求的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點。從軟件的角度，則要為開發(fā)人員提供一塊基石，在此基礎(chǔ)上他們能夠創(chuàng)建支持這種硬件的云端應(yīng)用。
半導(dǎo)體公司無疑熱衷于投身物聯(lián)網(wǎng)，但他們提供的開發(fā)平臺尚不能處理上述談到的所有問題。提供的硬件都是采用特定傳感器和通訊功能的單PCB方案，為了讓自己的系統(tǒng)滿足應(yīng)用需求，工程師幾乎沒什么發(fā)揮的空間。當(dāng)平臺不支持最佳的連結(jié)技術(shù)或感測方案時，便只能進(jìn)行折衷。
圖1 安森美半導(dǎo)體IDK硬件和軟件示意圖。
有鑒于物聯(lián)網(wǎng)部署的不斷變化，安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor)的工程師研發(fā)一種新的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺——物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)工具包(IDK)，該平臺充分考慮硬件工程師和軟件開發(fā)人員各自的優(yōu)勢，為他們提供設(shè)計上的便利。
IDK不是采用受限的通用方法，它有一個模塊化的架構(gòu)，因此有更多的傳感器、致動器和連結(jié)技術(shù)的選擇。它為工程專業(yè)人士提供了高度通用、現(xiàn)成的開發(fā)資源，包含硬件，還有一個精細(xì)的軟件框架，可用于建立「設(shè)備到云端」的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
圖2 包含幾個子卡的IDK主板。
IDK基于高精密的NCS36510系統(tǒng)單芯片(SoC)，具有32位ARM Cortex-M3處理器核心和2組各320KB的閃存。有大量的子卡可用，可以直接連接到基板。在連接方面，工程師可以針對各種無線和有線通訊協(xié)議，如Wi-Fi、ZigBee、Sigfox、CAN、以太網(wǎng)絡(luò)等，挑選合適的子卡。
對于傳感器，有整合溫度、水分、運動、心率、環(huán)境光、壓力及生物傳感器的子卡。此外，透過步進(jìn)馬達(dá)或無刷馬達(dá)驅(qū)動器，以及LED驅(qū)動器，可以實現(xiàn)致動器功能。
多種子卡可提供不同的傳感器、致動器和通訊功能，工程師可以根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇，為系統(tǒng)設(shè)計找到最適合的組合方案。此外，對于不擅長云端軟件開發(fā)的硬件工程師，需要在自己的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用基于云端的服務(wù)，該工具提供一種獲取云端服務(wù)的簡單途徑。
相反，軟件開發(fā)人員不必遏制自己的創(chuàng)意，他們有機(jī)會開發(fā)自己的專有服務(wù)。IDK由一個基于Eclipse的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)支持，包括一個C++編譯程序、調(diào)變器和程序代碼編輯器，以及一系列應(yīng)用相關(guān)的函式庫。利用一個可配置的通用平臺，如IDK，工程師能夠?qū)Ｗ⒂谧约荷瞄L的領(lǐng)域，無需被迫作出取舍，從而實現(xiàn)自己的系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)。
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