Ein modularer Ansatz für die Entwicklung von IoT-Anwendungen - 1. Teil: Hardware-Auswahl

Anmerkung des Herausgebers: IoT-Anwendungen führen zu einer besonders engen Konvergenz zwischen Hardware- und Softwarekomponenten. Die Entwickler müssen sich auf jedem Gebiet um Millionen von Details kümmern. Diese zweiteilige Artikelreihe widmet sich einer einzelnen Plattform mit einem modularen Ansatz, die diese Konvergenz erleichtern soll. Der 1. Teil beschäftigt sich damit, wie die Hardwareoptionen der Plattform die Implementierung von IoT-Komponenten erleichtern, während im 2. Teil die Softwarearchitektur und ihre Rolle für die Beschleunigung der End-to-End-Entwicklung von IoT-Anwendungen untersucht werden.

Große IoT-Anwendungen erfordern in der Regel mehrere Konnektivitätsoptionen und Software-Services für die Implementierung der zugrunde liegenden Funktionalität. Um den immer anspruchsvolleren Anforderungen gerecht zu werden, mussten Entwickler immer vielfältigere Lösungen aus unterschiedlichen Quellen und Betriebsumgebungen kombinieren.

Zur Erfüllung der Anforderungen jeder einzelnen Lösung ist es oft erforderlich, den Entwicklungsansatz neu zu überdenken. Die Entwickler müssen nicht nur mit den eigentlichen Anforderungen der Anwendung, sondern zusätzlich mit den Herausforderungen fertig werden, die entstehen, wenn verschiedene Lösungen nahtlos in einer Anwendung zum Einklang gebracht werden müssen. Mithilfe der ARTIK-Plattform von Samsung ist ein einfacherer Ansatz möglich, bei dem kompatible Hardwaremodule und Software-Services auf einer einzigen einheitlichen Plattform für die Entwicklung und Bereitstellung von IoT-Anwendungen miteinander kombiniert werden.

Probleme bei der Entwicklung von IoT-Anwendungen

Das breite Spektrum der mit IoT-Anwendungen verbundenen Anforderungen kann für Entwickler beängstigend sein. Sensorsysteme müssen eine exakte Signalkonditionierung und Datenkonvertierung mit minimalem Rauschen und maximaler Bandbreite liefern. Wireless-Bausteine müssen sich einfach in die bereits vorhandene Kommunikationsinfrastruktur einer Anwendung eingliedern lassen, eine ausreichende HF-Sendeleistung mitbringen und dabei zu einer insgesamt geringen Leistungsaufnahme beitragen.

Auf höherer Ebene müssen IoT-Bausteine eine effiziente Cloud-Konnektivität über zwischengeschaltete Hosts wie Smartphones oder durch lokale Gateways ermöglichen. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass den Bedrohungen, denen IoT-Anwendungen ausgesetzt sind, durch End-to-End-Sicherheitsmaßnahmen an jedem Verbindungsglied der gesamten IoT-Informationskette begegnet werden kann.

Entwickler, die sich durch diese verschiedenen Problembereiche arbeiten, können leicht kurzsichtig werden und die Gesamtanforderungen der Anwendung aus dem Auge verlieren, wenn sie sich auf die einzelnen vertikalen Gruppen von Anforderungen konzentrieren. Dadurch können sie in eine Situation geraten, in der sie von einem Entwicklungspfad, zu dem sie sich zu früh verpflichtet haben, abweichen müssen.

End-to-End-Plattformen wie die ARTIK-Lösung von Samsung helfen IoT-Entwicklern dabei, den Tunnelblick und seine Konsequenzen zu vermeiden, indem sie einen umfassenden Satz von Hardware- und Softwarekomponenten bieten, aus denen leicht vollständige IoT-Lösungen zusammengesetzt werden können.

Eine Plattform mit einheitlichen Komponenten und Services

Das ARTIK-Ökosystem von Samsung bietet eine Plattform mit einheitlichen Komponenten und Services für die gesamte Hierarchie von IoT-Anwendungen. Auf der untersten Ebene der IoT-Hierarchie unterstützen Hardwaremodule eine Hochleistungs-Datenerfassung und -Signalverarbeitung. Dabei stehen mehrere Optionen für drahtlose Verbindungen zur Auswahl.

Auf den höheren Ebenen verfügt die ARTIK-Cloud über ein breites Angebot von nativen Services und solchen von Drittanbietern. Ein einheitliches Sicherheitsmodell, das die gesamte Plattform umfasst, bietet den Entwicklern ein konsistentes Angebot von Services, die sicherstellen, dass nur autorisierte Geräte, Services und Benutzer Zugriff auf die zugrunde liegenden Ressourcen oder auf die IoT-Anwendung selbst erhalten.

Integrierte Module

Eine Reihe von austauschbaren Hardwaremodulen, die die Grundlage des ARTIK-Ökosystems bilden, stellen Drop-in-Lösungen für drahtlose Sensorknoten und Gateways zur Verfügung. Das Modul ARTIK 053 von Samsung verbindet beispielsweise einen ARM^®-Cortex^®-R4-Prozessor, Arbeitsspeicher und Peripherieschnittstellen mit dedizierten Subsystemen für Wi-Fi-Konnektivität und Sicherheitsfunktionen. Die Entwickler erhalten über einen vollständigen Satz von seriellen Schnittstellen und Pins wie GPIOs, PWM, serielle Schnittstellen und einen 4-kanaligen 12-Bit-Analog/Digital-Wandler (ADC), der Konvertierungsraten von mehr als 1 MS/s unterstützt, Zugriff auf die Modul-Subsysteme (Abbildung 1).

Abbildung 1: Wie andere Module der ARTIK-Familie bietet das Modul ARTIK 053 ein komplettes Wireless-System einschließlich Prozessor, Arbeitsspeicher, Schnittstellen und dedizierter Subsysteme für Sicherheitsfunktionen und drahtlose Kommunikation. (Bildquelle: Samsung Semiconductor)

In seinen ARTIK-Modulen verbindet Samsung mehrere dedizierte Systeme – darunter die Systeme für Kommunikation und Sicherheit – in einem dicht integrierten Design, in dessen Zentrum ein für eine bestimmte Klasse von IoT-Anwendungen geeigneter ARM-Cortex-Prozessor steht. Das Modul 053, das sich zur Datenerfassung und -steuerung in Echtzeit eignet, ist z. B. zur Verwendung als IoT-Terminalknoten bestimmt. Daher wird im Modul 053 ein ARM-Cortex-R4 eingesetzt. Dieser ist eines der kleinsten Mitglieder der ARM-Cortex-R-Serie, die speziell für Echtzeitanwendungen mit geringer Leistungsaufnahme entwickelt wurde.

Der mit 320 MHz laufende ARM-Cortex-R4 verfügt über getrennte Befehls- und Datencaches, die die Leistung von solchen Systemen maximieren, die eine schnelle Reaktion erfordern. Wie andere ARTIK-Module erhöht das 053 den integrierten Arbeitsspeicher des Prozessors durch Arbeitsspeicher auf dem Modul, in diesem Fall 8 MB Flash und 1280 KB RAM, der für die allgemeine Verwendung bereitsteht.

Neben den 053-Modellen mit Wi-Fi sind weitere ARTIK-Module mit den Prozessorfähigkeiten der 053-Reihe, aber mit anderen Wireless-Konnektivitätsoptionen, verfügbar. Das Modul ARTIK-020-AV2R bietet ein komplettes Bluetooth-Low-Energy-Subsystem für IoT-Terminalknoten, die mit Smartphones und anderen Mobilgeräten interagieren.

Unabhängig von der Verbindungsmethode muss jede IoT-Komponente auf jeder Ebene der Gerätehierarchie robuste Sicherheitsrichtlinien unterstützen, die in der Lage sind, vor den Bedrohungen für IoT-Anwendungen aus vielfachen Quellen zu schützen. Samsung gründet seine End-to-End-Sicherheitsrichtlinien auf hardwarebasierte Sicherheitsmechanismen in jedem der ARTIK-Module. Im Modul 053 ist z. B. ein umfassendes Sicherheits-Subsystem mit Crypto-Engines, einem Generator für echte Zufallszahlen, einem sicheren Schlüsselspeicher und einer geschützten Ausführungsumgebung integriert.

Das Modul 053 umfasst darüber hinaus eine physisch nicht klonbare Funktionseinheit (PUF), die digitale Fingerabdrücke zum Schutz vor Fälschungen und vor Man-in-the-middle-Angriffen, die von gefälschten Bausteinen ausgehen können, unterstützt.

Drop-in-Lösung

Um die vollständigen Funktionen des 053 und anderer ARTIK-Module zu erhalten, können diese vollständig implementierten Wireless-Systeme relativ problemlos in Designs eingesetzt werden. Das Modul ARTIK 053 benötigt zur Vervollständigung der Hardwareschnittstelle nur wenige zusätzliche Komponenten. Die GPIOs des Moduls können bis zu 12 Milliampere (mA) direkt ohne zusätzliche Pufferung ziehen. Die Eingänge, d. h. die GPIO-, I²C-, SPI- und Debug-Anschlüsse verfügen über eine relativ hohe Impedanz und ziehen nur 3 Mikroampere (µA) (maximal, keine Pulldown-Widerstände). Die ADC-Kanäle des Moduls können direkt von Spannungsquellen angesteuert werden, aber möglicherweise sind rauscharme Operationsverstärker zur Verstärkung oder Abschwächung der Quellsignale zur Angleichung an den Eingangsspannungsbereich des ADC von 0 bis 1,8 Volt erforderlich.

Bei der physischen Herstellung einer PC-Platine wird das 15 x 40 mm große 79-Pin-Modul direkt auf die PC-Platine oder auf eine zwischen Modul und Zielplatine eingesetzte Trägerplatine gelötet. Wegen des eingebauten HF-Subsystems ist die Positionierung des Moduls sehr wichtig. Samsung stellt zu diesem Zweck detaillierte mechanische Spezifikationen zur Optimierung der HF-Leistung bei der Platzierung des Moduls 053 auf der Platine bereit (Abbildung 2).

Abbildung 2: ARTIK-Module können mithilfe der Schaltpläne und der Konstruktionsrichtlinien von Samsung schnell in eigene Designs integriert werden. Diese Routing-Empfehlungen sollen z. B. eine optimale HF-Leistung auf Platinen mit gedruckter Schaltung sicherstellen. (Bildquelle: Samsung Semiconductor)

Die Entwickler können noch vor dem Entwurf und der Herstellung von speziellen Platinen ihre IoT-Designs mithilfe der entsprechenden ARTIK-Entwicklungskits auf Grundlage dieser Module evaluieren. An das Entwicklungsboard aus dem ARTIK-053-Starter-Kit (SIP-KITNXF001) ist das Modul 053 über eine Zwischenplatine angeschlossen. Sie bietet Test-LEDs, Tasten, einen USB-Anschluss, Anschlüsse für ein Arduino Shield und I/O-Verteilungsanschlüsse (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das Entwicklungsboard aus dem Starter-Kit für ARTIK 053 erlaubt mit dem Modul 053, Stromversorgung, I/O-Steckverbindern, LEDs und Tasten eine schnelle Evaluierung des ARTIK 053. (Bildquelle: Samsung Semiconductor)

Das Board kann nicht nur während der Entwicklung über die USB-Schnittstelle mit Strom versorgt werden: Ein eigenständiges Board kann separat über die Stromversorgungsbuchse für 5 bis 12 Volt DC oder über eine externe Batterie mit 5,6 bis 6,4 Volt mit Strom versorgt werden.

Samsung stellt komplette Schaltpläne und Stücklisten für die Hardwareentwicklung zur Verfügung. Dies gibt den Entwicklern einen Vorsprung bei ihren eigenen Designs. Wie bereits erwähnt, sind die Anforderungen der Hardwareschnittstellen des Moduls recht einfach. Das im Schaltplan spezifizierte Starter-Kit-Referenzdesign übergibt ungepufferte digitale Signale von den Platinenanschlüssen an das Modul. In den Schaltplänen wird die Verwendung eines einfachen Widerstandsnetzwerks zur Bereitstellung der erforderlichen Spannungsquelle für die ADC-Eingänge veranschaulicht (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der Schaltplan des Starter-Kits für den ARTIK 053 veranschaulicht die einfachen Schnittstellenanforderungen des Moduls 053 sowie ein einfaches Widerstandsnetzwerk zur Herstellung einer Spannungsquelle für die 4 Eingangskanäle des ADC. (Bildquelle: Samsung Semiconductor)

IoT-Gateways

Module wie das Wi-Fi 053 und das Bluetooth 052 stellen Lösungen für die Entwicklung von IoT-Terminalknoten dar. In komplexeren IoT-Hierarchien können die IoT-Entwickler häufig Hochleistungs-Verarbeitungsknoten in die direkt über den Terminalknoten liegende Schicht einfügen. Diese Zwischenknoten fungieren als Gateway zur Cloud. Häufig sammeln sie Daten und führen eine Vorverarbeitung auf lokaler Ebene durch und stellen so kurze Latenzzeiten zwischen Terminal-Knoten sicher oder sie puffern die periodischen Abbrüche der Cloud-Verbindungen der Terminalknoten.

Samsung trägt diesen Anforderungen mit einer Gruppe von Modulen auf der Basis von immer leistungsfähigeren ARM-Cortex-A-Anwendungsprozessoren Rechnung. Das ARTIK 520-Modul (SIP-005AYS001) umfasst einen Dual-Core-32-Bit-ARM-Cortex-A7, der ARTIK 530 (SIP-005AFS301) bietet einen 32-Bit-ARM-Cortex-A-9 mit vier Kernen und der ARTIK 710 (SIP-007AFS001) bietet einen 64-Bit-ARM-Cortex-A-53-Prozessor mit 8 Kernen. Dank ihres gleichen Aufbaus können Module gemischt werden, und es können Module für spezifische Verarbeitungsaufgaben und Anforderungen ausgewählt werden.

Neben seinen Energieverwaltungsfähigkeiten verfügt jedes Modul über ein umfassendes Angebot von Peripheriebausteinen und Schnittstellen, mit denen auch höhere Anforderungen von Gateways erfüllt werden können. Das ARTIK 530 glänzt nicht nur mit mehr ADC- und GPIO-Kanälen, sondern bringt auch mit einer vierspurigen MIPI-Kameraschnittstelle, die bis zu 1920 x 1080 Pixel mit 30 Frames pro Sekunde (fps) unterstützt; einer vierspurigen MIPI-Display-Schnittstelle mit bis zu 1920 x 1080 Pixel mit 60 fps und zwei Audio-I/O-Kanälen Unterstützung für Benutzeroberflächen mit.

Neben der erweiterten Unterstützung von Peripheriebausteinen erfüllen die Module ARTIK 520/530/710 eine weitere wichtige Anforderung von Gateways. IoT-Gateways müssen typischerweise mit unterschiedlichen IoT-Komponenten kommunizieren. Diese Gateway-Module unterstützen daher mehrere Wireless-Optionen, darunter Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee und Thread sowie Ethernet.

Aufgrund ihrer Unterstützung für die höheren Anforderungen von Gateways erfordern die Module ARTIK 520/530/710 normalerweise einen höheren Designaufwand. Für Entwickler unterstützt Samsung jedes Gateway-Modul mit einem zugehörigen Entwicklungsboard, darunter das ARTIK 520-Kit (SIP-KITNXB001), das 530-Kit (SIP-KITNXD001) und das 710-Kit (SIP-KITNXE001). Neben den Entwicklungsboards bietet Samsung mit diesen Kits vollständige Referenzdesigns mit Schaltplänen, Stücklisten und physischen Layouts von PC-Platinen.

Die Kits veranschaulichen komplexere Schnittstellendesigns für Module mit zusätzlichen Komponenten, die für Gateway-Komponenten erforderlich sein könnten. Diese Kits enthalten im Gegensatz zum einfachen Design der Zwischenplatine und der Plattformplatine für das 053 eine umfassende Liste von Teilen, die zur Unterstützung der erweiterten Funktionalität der Gateway-Module nötig sind.

Die ARTIK-530-Entwicklungsboards verfügen z. B zusätzlich über einen Audio-Codec, einen USB-Controller, ein Akku-Ladegerät und eine Ladungsanzeige und sogar über eine ATMEGA48PB-M AVR-MCU von Microchip Technology mit zusätzlichen GPIO- und ADC-Kanälen (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das ARTIK-530-Entwicklungsboard veranschaulicht das Design von ausgeklügelten Gateway-Komponenten durch Kombination des Moduls ARTIK 530 mit einer externen ATMEGA48PB-M-MCU von Microchip Technology, einem Audio-Codec, Ethernet- und USB-Komponenten und Komponenten zur Energieverwaltung. (Bildquelle: Samsung Semiconductor)

Im Gegensatz zum einfachen Design des 053-Entwicklungsboards umfasst das 530-Kit die Plattformplatine, eine Zwischenplatine, auf der das 530-Modul angebracht ist, und eine Schnittstellenplatine (IF) für zusätzliche Erweiterungen. Während die 053-Zwischenplatine nur als Trägerplatine für das 053-Modul fungiert, unterstützt die 530-Zwischenplatine den größten Teil der Funktionalität des 530-Moduls direkt. Daher spielt die 530-Zwischenplatine eine aktivere Rolle bei der Integration des Moduls in ein Gateway-Systemdesign und bietet Funktionen wie die zur Unterstützung von unterschiedlichen Stromversorgungskreisen für unterschiedliche Komponenten des Designs erforderliche Pegelwandlung.

Das Entwicklungskit und die zugehörigen Schaltpläne veranschaulichen spezifische Designlösungen für diese erhöhten Schnittstellenanforderungen. Das Referenzdesign zeigt z. B., wie der 2-Bit-Pegelwandler NLSX4373MUTAG und der 4-Bit-Pegelwandler NLSX5014MUTAG von ON Semiconductor zur sicheren Überbrückung von kritischen Bereichen innerhalb des Designs einbezogen werden können (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Entwickler finden in den ARTIK-Gateway-Referenzdesigns Details zum Anschluss der Module ARTIK 520/530/710 an betriebsbereite Pegelwandler für digitale Steuerleitungen. (Bildquelle: Samsung Semiconductor)

Fazit

In der Vergangenheit waren die Entwickler zur Erfüllung der komplexen Anforderungen von IoT-Anwendungen mehr oder weniger gezwungen, verschiedenartige Komponenten aus mehreren Quellen einzusetzen und mit den Herausforderungen bei der Integration zu leben. Mit dem ARTIK-Ökosystem können nun kompatible Hardwaremodule, die speziell für bestimmte Anforderungen bezüglich der drahtlosen Kommunikation, der Funktionalität und der Leistung für IoT-Terminalknoten und Gateways entwickelt wurden, miteinander kombiniert werden.

In den ARTIK-Modulen, die komplette Lösungen für IoT-Komponenten darstellen sollen, sind sämtliche Komponenten integriert, die für die Implementierung von IoT-Terminalknoten erforderlich sind oder die Grundlage für die Implementierung komplexerer Gateway-Komponenten bilden können. Auf der Grundlage von ARTIK-Entwicklungskits und -Schaltplänen können die Komponenten, die die Hardwaregrundlage einer IoT-Anwendung bilden, schnell implementiert werden. Wie im 2. Teil ausgeführt wird, können die Entwickler beim End-to-End-Design und bei der Implementierung von IoT-Anwendungen außerdem von der Softwarearchitektur des ARTIK-Ökoystems profitieren.