Un approccio modulare allo sviluppo di applicazioni IoT - Parte 1: Scelte hardware

Nota dell'editore: le applicazioni IoT portano i componenti hardware e software a una stretta convergenza, il che richiede agli sviluppatori di tenere sotto controllo una miriade di dettagli in entrambi i campi. Questa serie in due parti si occupa di una singola piattaforma che utilizza un approccio modulare studiato per facilitare tale convergenza. Nella prima parte (Parte 1) vedremo come le opzioni hardware della piattaforma semplificano l'implementazione dei dispositivi IoT. Nella seconda (Parte 2) esamineremo l'architettura del software della piattaforma e il suo ruolo nell'accelerare lo sviluppo end-to-end delle applicazioni IoT.

Le applicazioni IoT su vasta scala richiedono di solito più opzioni di connettività e servizi software per implementare le loro caratteristiche funzionali sottostanti. Per soddisfare i requisiti sempre più esigenti, gli sviluppatori hanno dovuto combinare soluzioni molto diverse da molteplici fonti e ambienti operativi.

Inoltre, far fronte a tutti i requisiti dell'applicazione spesso richiede di ripensare l'approccio allo sviluppo. Gli sviluppatori non solo devono affrontare i requisiti primari dell'applicazione, ma anche le sfide che derivano dal dover conciliare soluzioni diverse in un'applicazione omogenea. Usando la piattaforma ARTIK di Samsung, gli sviluppatori hanno a disposizione un approccio più facile che combina moduli hardware e servizi software compatibili in una singola piattaforma omogenea per lo sviluppo e l'implementazione di applicazioni IoT.

Temi sullo sviluppo di applicazioni IoT

Per gli sviluppatori, l'ampia serie di requisiti associati alle applicazioni IoT può rivelarsi scoraggiante. I sistemi sensore devono fornire un condizionamento accurato dei segnali e una precisa conversione dei dati con il minimo rumore e la massima larghezza di banda. I dispositivi wireless devono potersi inserire comodamente nelle infrastrutture di comunicazione esistenti per le applicazioni, fornendo una potenza di trasmissione in radiofrequenza sufficiente pur contenendo quanto più possibile il consumo energetico complessivo.

A un livello superiore, i dispositivi IoT hanno bisogno di un'efficace connettività cloud attraverso un host intermedio come gli smartphone o tramite un gateway locale. Allo stesso tempo, gli sviluppatori devono assicurare che le misure di sicurezza end-to-end siano in grado di ridurre le minacce che possono attaccare l'applicazione IoT in qualsiasi punto di collegamento lungo l'intera catena informativa dell'IoT.

Mentre gli sviluppatori lavorano in questi ambiti di problemi singoli, può accadere loro di diventare "miopi": perdono la traccia dei requisiti di più ampio respiro dell'applicazione, puntando troppo l'attenzione su ciascun set verticale di requisiti. Questo li può mettere in una situazione in cui il percorso di progettazione è già avanzato, ma da cui possono essere costretti a discostarsi.

Le piattaforme end-to-end come la soluzione ARTIK di Samsung, aiutano gli sviluppatori di IoT a evitare una visione troppo ristretta e le relative conseguenze fornendo loro un set completo di componenti hardware e software che si può facilmente combinare in una applicazione IoT completa.

Una piattaforma unificata di componenti e servizi

L'ecosistema ARTIK di Samsung costituisce una piattaforma unificata di componenti e servizi progettati per soddisfare l'intera gerarchia dell'applicazione IoT. Ai livelli più bassi della gerarchia IoT, i moduli hardware supportano l'acquisizione dati ad alte prestazioni e l'elaborazione dei segnali, fornendo al contempo opzioni di connettività wireless multiple.

Ai livelli superiori, il cloud ARTIK offre un'ampia serie di servizi nativi e di terze parti. Eseguito nell'intera piattaforma, il modello di sicurezza unificato offre agli sviluppatori un nutrito set di servizi per assicurare che solo i servizi, i dispositivi e gli utenti autorizzati abbiano accesso alle risorse sottostanti o all'applicazione IoT stessa.

Moduli integrati

Alle fondamenta dell'ecosistema ARTIK, una serie di moduli hardware intercambiabili fornisce soluzioni drop-in per nodi sensore e gateway wireless. Ad esempio, il modulo ARTIK 053 di Samsung combina un processore ARM^® Cortex^®-R4, memoria e interfacce periferiche con sottosistemi dedicati per la connettività Wi-Fi e la sicurezza. Gli sviluppatori ottengono accesso ai sottosistemi del modulo attraverso una dotazione completa di interfacce seriali e pin di dispositivo tra cui GPIO, PWM, interfacce seriali e un convertitore analogico/digitale (ADC) a 12 bit, 4 canali che supporta velocità di conversione superiori a un 1 Mcampioni/s (Figura 1).

Figura 1: Come con altri moduli della famiglia ARTIK, ARTIK 053 offre un sistema wireless completo di processore, memoria, interfacce e sottosistemi dedicati per la sicurezza e la connettività wireless. (Immagine per gentile concessione di Samsung Semiconductor)

Nei suoi moduli ARTIK, Samsung combina diversi sistemi dedicati, ad esempio quelli per le comunicazioni e la sicurezza, in un progetto altamente integrato costruito attorno a un processore ARM Cortex, idoneo per una particolare classe di dispositivi IoT. Ad esempio, il modulo 053 è studiato per l'uso come nodo IoT terminale in grado di acquisire e controllare dati in tempo reale. Questo modulo si avvale appunto di un ARM Cortex-R4. Si tratta di uno dei più piccoli membri della serie di ARM Cortex-R, progettata specificamente per applicazioni in tempo reale a basso consumo.

Con una velocità di 320 MHz, ARM Cortex-R4 sfrutta istruzioni e cache dati separate per massimizzare le prestazioni in progetti che richiedono una risposta rapida. Come in altri moduli ARTIK, lo 053 aumenta la memoria integrata nel processore con della memoria a bordo modulo, in questo caso 8 Mbyte di flash e 1280 Kbyte di RAM disponibile per uso generale.

Oltre ai moduli 053 con funzionalità Wi-Fi, gli sviluppatori possono trovare altri moduli ARTIK che offrono capacità di elaborazione di classe 053 ma con diverse opzioni di connettività wireless. Ad esempio, il modulo ARTIK-020-AV2R offre un sottosistema Bluetooth Low Energy completo per nodi terminali IoT studiato per interagire con smartphone e altri dispositivi mobili.

A prescindere dal metodo di connettività, qualsiasi dispositivo IoT a qualsiasi livello gerarchico deve supportare un criterio di sicurezza robusto in grado di mitigare le diverse sorgenti di minaccia presenti nelle applicazioni IoT. Samsung fonda i suoi criteri di sicurezza end-to-end su meccanismi di sicurezza basati su hardware in tutti i suoi moduli ARTIK. Ad esempio, il modulo 053 integra un sottosistema di sicurezza completo che include motori di crittografia, un generatore di numeri casuali reali, memorizzazione chiave sicura e un ambiente di esecuzione protetto.

Il modulo 053 include anche un'unità PUF (Physically Unclonable Function), che supporta un fingerprint digitale studiato per proteggere dalle contraffazione e impedire attacchi man-in-the-middle che possono provenire da dispositivi contraffatti.

Soluzione drop-in

Considerate tutte le funzionalità del modulo 053 e di altri moduli ARTIK, gli sviluppatori possono inserire nei progetti questi sistemi wireless completi con relativa facilità. Il modulo ARTIK 053 richiede meno componenti aggiuntivi per completare l'interfaccia hardware. Di fatto, i GPIO del modulo possono pilotare direttamente fino a 12 milliampere (mA) senza ulteriore buffering. Sul lato di ingresso, le porte GPIO, I²C, SPI e di debug del modulo offrono ingressi con impedenza relativamente alta, assorbendo solo 3 microampere (µA) (max, senza resistori pull-down). Gli sviluppatori possono pilotare i canali ADC del modulo direttamente dalle sorgenti di tensione, ma potrebbero dover aggiungere amplificatori operazionali a basso rumore per amplificare o attenuare i segnali di quelle sorgenti in modo da rientrare nell'intervallo della tensione di ingresso tra 0 e 1,8 volt dell'ADC.

Per la progettazione meccanica su schede di circuiti stampati, gli ingegneri saldano il modulo di 15 x 40 mm a 79 pin direttamente sulla scheda target o su una scheda portante interposta tra modulo e scheda target. Dato il sottosistema RF incorporato, il posizionamento del modulo ha un'importanza cruciale. Tuttavia, Samsung fornisce specifiche meccaniche dettagliate per ottimizzare le prestazioni RF quando si posiziona il modulo 053 sulla scheda (Figura 2).

Figura 2: Gli sviluppatori possono rapidamente integrare i moduli ARTIK nei propri progetti utilizzando le linee guida di progettazione e gli schemi di Samsung, come questa raccomandazione di routing, per assicurare le prestazioni RF massime nei layout delle schede a circuiti stampati. (Immagine per gentile concessione di Samsung Semiconductor)

Molto prima della progettazione e della produzione di PCB personalizzate, gli sviluppatori possono usare kit di sviluppo ARTIK associati per valutare i progetti IoT basati su questi moduli. Ad esempio, la scheda di sviluppo dello starter kit ARTIK 053 (SIP-KITNXF001) contiene il modulo 053 tramite una scheda di interposizione e fornisce LED di test, pulsanti, connessione USB, connettori di interfaccia dello shield Arduino e connettori di breakout I/O (Figura 3).

Figura 3: Gli sviluppatori possono iniziare rapidamente a valutare il modulo ARTIK053 utilizzando la scheda di sviluppo dello starter kit ARTIK 053, che combina un modulo 053 con alimentazione, connettori I/O, LED e pulsanti. (Immagine per gentile concessione di Samsung Semiconductor)

Oltre ad alimentare la scheda tramite la sua interfaccia USB durante lo sviluppo, gli ingegneri possono alimentare una scheda autonoma separatamente attraverso il suo spinotto di alimentazione a 5 - 12 V c.c. o una connessione con una batteria esterna a 5,6 - 6,4 V.

Per lo sviluppo hardware, Samsung include schemi completi e distinta base, offrendo agli sviluppatori un vantaggio iniziale con le loro progettazioni personalizzate. Come osservato in precedenza, i requisiti di interfaccia hardware per il modulo sono molto semplici. Il progetto di riferimento dello starter kit specificato negli schemi trasmette i segnali digitali non bufferizzati dai connettori su scheda al modulo. Per gli ingressi ADC, lo schema dimostra l'uso di una rete resistiva semplice per fornire la sorgente di tensione richiesta (Figura 4).

Figura 4: Gli schemi dello starter kit ARTIK 053 dimostrano i requisiti di interfaccia semplici del modulo 053 compresa una rete resistiva di base per fornire una sorgente di tensione ai quattro canali di ingresso ADC del modulo. (Immagine per gentile concessione di Samsung Semiconductor)

Gateway IoT

Moduli come Wi-Fi 053 e Bluetooth 052 forniscono soluzioni per progettazioni di nodi terminali IoT. In gerarchie IoT più complesse, tuttavia, gli sviluppatori IoT spesso aggiungono nodi di elaborazione ad alte prestazioni in un livello appena sopra i nodi terminali. Questi nodi intermedi fungono da gateway al cloud, spesso aggregando e pre-elaborando i dati a livello locale, assicurando loop di latenza brevi tra i nodi terminali, o servendo da buffer dei nodi terminali nelle disconnessioni periodiche dal cloud.

Samsung affronta questi requisiti con una serie di moduli basati su processori di applicazioni ARM Cortex-A sempre più potenti. Ad esempio, il modulo ARTIK 520 (SIP-005AYS001) è costruito attorno a un ARM Cortex-A7 dual core a 32 bit, ARTIK 530 (SIP-005AFS301) offre un ARM Cortex A-9 a quattro core a 32 bit, mentre ARTIK 710 (SIP-007AFS001) offre un processore ARM Cortex A-53 a otto core a 64 bit. Grazie al loro progetto comune, gli sviluppatori possono mescolare e abbinare i moduli in funzione di carichi di elaborazione e requisiti di prestazioni specifici.

Oltre alle loro capacità di elaborazione, ognuno di questi moduli offre una serie robusta di periferiche e interfacce richieste per far fronte ai requisiti allargati dei dispositivi gateway. Ad esempio, oltre a incrementare il numero di canali ADC e GPIO, ARTIK 530 offre il supporto di interfacce utente con un'interfaccia foto/videocamera MIPI a 4 canali che supporta fino a 1920 x 1080 pixel a 30 fotogrammi al secondo (fps), un'interfaccia display MIPI a 4 canali fino a 1920 x 1080 pixel a 60 fps e due canali I/O audio.

Oltre al maggior supporto periferico, i moduli ARTIK 520/530/710 soddisfano un altro requisito chiave dei progetti gateway. I dispositivi gateway IoT in genere devono comunicare con un insieme eterogeneo di dispositivi IoT. Di conseguenza, questi moduli gateway supportano più opzioni wireless incluse quelle Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee e Thread, oltre a Ethernet.

Dato il loro supporto di requisiti più ampi dei progetti gateway, i moduli ARTIK 520/530/710 richiedono in genere un impegno di progettazione conseguentemente maggiore. Per gli sviluppatori, tuttavia, Samsung supporta ogni modulo gateway con una scheda di sviluppo associata, incluso il kit ARTIK 520 (SIP-KITNXB001), il kit 530 (SIP-KITNXD001) e il kit 710 (SIP-KITNXE001). In aggiunta alle schede di sviluppo di ogni kit, Samsung offre progetti di riferimento completi di schema, BOM e layout fisico della scheda a circuiti stampati.

I kit illustrano progetti più complessi di interfaccia di moduli con componenti aggiuntivi di cui gli sviluppatori potrebbero aver bisogno per i dispositivi gateway. Diversamente dal progetto semplice della scheda di interposizione 053 e della scheda di piattaforma, questi kit includono un elenco dei componenti significativi richiesti per supportare la funzionalità estesa dei moduli gateway.

Ad esempio, la scheda di sviluppo ARTIK 530 aggiunge un codec audio, controller USB, caricabatterie e indicatore di carica, oltre a un MCU AVR ATMEGA48PB-M di Microchip Technology per ulteriori canali GPIO e ADC (Figura 5).

Figura 5: La scheda di sviluppo ARTIK 530 illustra la progettazione di un sofisticato dispositivo gateway, che combina il modulo ARTIK 530 con un MCU ATMEGA48PB-M esterno di Microchip Technology, un codec audio, componenti Ethernet e USB, oltre a circuiti di gestione della batteria. (Immagine per gentile concessione di Samsung Semiconductor)

Diversamente dalla progettazione semplice della scheda di sviluppo 053, il kit 530 include la scheda di piattaforma, una scheda di interposizione che contiene il modulo 530 e una scheda di interfaccia (IF) per un'ulteriore espansione. Mentre la scheda di interposizione 053 serve semplicemente da scheda portante per il modulo 053, la scheda di interposizione 530 supporta direttamente tutte le funzionalità del modulo 530. Di conseguenza, la scheda di interposizione 530 assolve un ruolo più attivo nell'integrare il modulo all'interno del progetto del sistema gateway, offrendo funzionalità come la traslazione di livello necessaria per supportare i diversi domini di potenza associati ai vari componenti del progetto.

Il kit di sviluppo e gli schemi associati dimostrano le soluzioni di progettazione specifiche richieste per soddisfare questi maggiori requisiti di interfaccia. Ad esempio, il progetto di riferimento mostra come i progettisti possono incorporare i traslatori di livello NLSX4373MUTAG a 2 bit e NLSX5014MUTAG a 4 bit di ON Semiconductor per interfacciare in modo affidabile le linee critiche all'interno di un progetto (Figura 6).

Figura 6: Gli sviluppatori possono sfruttare i progetti di riferimento dei gateway ARTIK per dettagli sull'interfacciamento dei moduli ARTIK 520/530/710 utilizzando traslatori di livello di serie per linee di controllo digitali. (Immagine per gentile concessione di Samsung Semiconductor)

Conclusione

Quando in passato dovevano affrontare requisiti di applicazioni IoT più complesse, gli sviluppatori non avevano altra scelta che lavorare con componenti disparati di più fonti e confrontarsi con le relative sfide di integrazione. Utilizzando l'ecosistema ARTIK, invece, gli sviluppatori possono combinare moduli hardware compatibili progettati per far fronte a specifici requisiti di connettività wireless, funzionalità e prestazioni in nodi terminali IoT e gateway.

Studiati per offrire soluzioni complete per dispositivi IoT, i moduli ARTIK integrano tutti i componenti richiesti per implementare i nodi terminali IoT o fornire le basi per l'implementazione di progetti di gateway più complessi. Partendo dai kit di sviluppo e dagli schemi ARTIK, gli sviluppatori possono implementar rapidamente i dispositivi che costituiscono le basi hardware di qualsiasi applicazione IoT. Come descritto nella Parte 2, gli sviluppatori possono sfruttare i vantaggi dell'architettura software dell'ecosistema ARTIK per completare rapidamente la progettazione e l'implementazione end-to-end delle loro applicazioni IoT.