Vývojové kity pre internet vecí

Fenomén internet veci (IoT - Internet of Things) v praxi znamená masívny nástup inteligentných zariadení pripojených na internet do všetkých oblastí života a podnikania. Pribúdajú nové zariadenia a predpokladá sa aj doplnenie existujúcich zariadení o senzory a riadiace moduly pripojené do internetu. Cieľom článku je predstaviť perspektívne mikrokontrolérové platformy, ktoré môžete použiť na ovládanie zariadení a zber údajov. Vďaka univerzálnym konektorom a knižniciam funkcií ich dokáže aplikovať aj amatér.

Výhody vývojových kitov

Doplniť existujúce zariadenie o riadiacu jednotku pripojenú na internet nie je vďaka cenovo dostupným vývojovým kitom využívajúcim výkonné mikrokontroléry žiadny problém. Ak ide o jedno alebo niekoľko málo zariadení, môže byť vývojový kit definitívnym riešením. V prípade masovejšieho nasadenia poslúži na odladenie softvéru a následne sa vyrobí riadiaca jednotka „na mieru", primeraná danému účelu. Pre amatérov aj profesionálov bez prístupu k technológii plošnej montáže súčiastok majú vývojové kity veľkú výhodu. Ich zbernice majú spravidla piny s rozstupom 2,5 mm vyvedené na bežné konektory, takže ich dokáže pripojiť zručnejší technik. Keďže pre IoT treba riadiacu jednotku pripojiť cez Wi-Fi alebo eternetový kábel do internetu, zaradili sme do nášho prehľadu len platformy, ktoré to umožňujú. Pri výbere typu dosky treba prihliadať nielen na skúsenosti programátorov, ale aj na účel nasadenia. Na jednoduchý zber údajov je zbytočné používať výkonné jednodoskové minipočítače typu Intel Galileo, Raspberry PI alebo BeagleBoard. Zbytočne na nich beží operačný systém, ktorý zvyšuje spotrebu zariadenia. Vhodnejšie sú vývojové dosky, ktoré obsahujú jednočipový mikrokontrolér s vyvedenými zbernicami a ďalšími podpornými perifériami. Pri výbere dosky musíte zvážiť, či má vyvedené zbernice, ktoré budete potrebovať na pripojenie senzorov. Najčastejšie sa využívajú digitálne či analógové porty I/O a zbernice SPI, prípadne I2C.

Arduino Ethernet

Arduino je dnes už legendárna open source platforma na jednoduchý návrh a vývoj elektronických programovateľných zariadení. Je vhodná na rýchle prototypovanie zariadení a ovládacích a regulačných aplikácií bez potreby hlbšej znalosti princípov elektroniky. Existuje veľa variantov. Pokiaľ začínate tvoriť novú konštrukciu, môžete nasadiť priamo kit Arduino Ethernet, ktorý disponuje eternetovým pripojením na základnej doske. Základné dosky, napríklad Arduino Leonardo, možno doplniť o rozširujúci modul GSM Shield, Ethernet Shield alebo Wi-Fi Shield. Arduino Ethernet využíva procesor ATmega328 16MHz, 1 kb EEPROM , 2,5 kB RAM a 32 KB Flash. Doska disponuje unifikovanou zbernicou s 6 analógovými vstupmi a 14 pinmi Digital IO, z ktorých 4 môžu fungovať aj ako PWM (impulzno-šírková modulácia). K Arduinu je k dispozícii veľké množstvo rozširujúcich modulov (shields) s displejmi, snímačmi, klávesnicami...

Arduino Ethernet

Pre náročnejšie úlohy je určený čoraz populárnejší kit Arduino Yun. Na jednej doske kombinuje Arduino Leonardo a linuxový počítač s distribúciou Linino, odvodenou od OpenWRT. Táto kombinácia spája jednoduchosť Arduina pri komunikácii so senzormi s výpočtovým výkonom a možnosti sieťovej komunikácie na Linuxe. Linino beží na samostatnom procesore Atheros AR9331 64 MB RAM, 16 MB Flash s možnosťou Wi-Fi a eternetového pripojenia. Linino zároveň umožňuje ovládanie časti Arduino cez webové rozhranie.

Vývojový kit Arduino Yun

Vďaka úspešnosti platformy Arduino je k dispozícii široká ponuka klonov, označovaných ako Arduino-like dosky, ktoré sú pinovo kompatibilné s Arduinom, a teda môžu využívať všetky shields. Využívajú iné, podstatne výkonnejšie mikrokontroléry, prevažne s architektúrou ARM. Ich výhoda pri zachovaní ceny je podstatne vyšší výkon a viac pamäte, nevýhodná je vyššia spotreba.

Netduino plus 2

Kit využíva populárnu zbernicu Arduino, ale na rozdiel od originálu s procesorom ATmega Netduino plus 2 využíva výkonný 32-bitový procesor STM32F4 z radu Cortex-M4, taktovaný na 168 MHz. Disponuje 384 KB pamäte programu, 100 KB pamäte RAM, slotom na kartu microSD do kapacity 2 GB a eternetovým rozhraním 10 Mb/s. Na zbernici Arduino možno využiť 22 vstupno-výstupných portov, z ktorých sa dá šesť preprogramovať na PWM a štyri na UART/i2c/SPI. K dispozícii je aj šesť 12-bitových analógových kanálov. Vývojári môžu využiť open source platformu pre mikrokontroléry .NET Micro Framework 4.3, ktorý môžu v prípade potreby nahradiť vlastným firmvérom. Ako vývojové prostredie sa štandardne využíva Visual Studio, komerčná alebo voľne šíriteľná edícia Community.

Netduino Plus 2 - obrázok obsahuje popis pinov zbernice Arduino

.NET Gadgeteer

Dosiaľ prezentované vývojárske dosky vyžadovali aspoň základné elektronické zručnosti. Open source hardvérovú platformu .NET Gadgeteer zvládne aj úplný začiatočník. Je to stavebnicový systém, v ktorom k riadiacej doske pomocou 10-pinových konektorov pripájate rôzne moduly. Momentálne je k dispozícii asi 50 modulov siahajúcich od tlačidiel a svietiacich diód cez rôzne senzory až po dotykové displeje alebo modul na výstup VGA.

FEZ Raptor

Definovanie pripojenia externých prvkov vo vizuálnom návrhovom prostredí integrovaného do Visual Studia

Pri vytváraní projektu vo Visual Studiu stačí v grafickom návrhovom prostredí definovať, ktoré pripojené moduly bude vaša aplikácia využívať, a môžete sa pustiť do programovania bez toho, aby ste museli riešiť interakciu na úrovni hardvérovej dosky. Veľká výhoda je možnosť priamo na doske ladiť kód aplikácií vrátane krokovania a prístupu k údajom zo senzorov.

FEZ Cerbuino Bee

Tento stavebnicový systém využíva 32-bitový mikrokontrolér Cortex-M4, taktovaný na 168 MHz, 384 KB Flash a 104 KB RAM. Kombinuje zbernicu Arduino a .NET Gadgeteer. Ako platforma na beh aplikácií sa využíva .NET Micro Framework. Pripojenie k internetu je k dispozícii cez rozširujúci eternetový alebo Wi-Fi modul.

FEZ Cerbuino Bee

Intel Edison

Modul Intel Edison má dvojjadrový procesor Atom (architektúra Silvermont) s taktom 500 MHz, ďalší procesor Quark s taktom 100 MHz, ktorý spracúva nenáročné úlohy v čase, keď je hlavný procesor v úspornom režime, pamäť RAM s kapacitou 1 GB, úložisko eMMC NAND s kapacitou 4 GB a modul na bezdrôtovú komunikáciu Broadcom 43340, ktorý podporuje Bluetooth 4.0 a Wi-Fi 802.11 b/g/n. Edison môže byť pripojený k podporným doskám buď s rozhraním USB, alebo so zbernicou Arduino.

Porovnanie veľkosti modulu Intel Edison s poštovou známkou

Raspberry Pi 2

Srdcom nového kitu je výkonný štvorjadrový procesor ARM Cortex-A7, taktovaný na 900 MHz. K dispozícii má 1 GB LPDDR2 SDRAM. Vďaka tomu je 6-krát výkonnejší než pôvodný Raspberry Pi. Samozrejmé je zachovanie spätnej kompatibility. Zdrojové kódy pre starú dosku stačí len znovu skompilovať a zostaviť pre Pi 2. Cena novej dosky je 35 USD. Na rozdiel od predchádzajúcej verzie bude nová doska podporovať nielen Linux, ale aj Windows 10. To umožní jej využitie aj vývojármi, ktorí majú skúsenosti s vývojom aplikácií pre Windows vo Visual Studiu bez nutnosti migrácie na inú vývojársku platformu.

Raspberry Pi 2

Beaglebone

Jednodoskový mikropočítač umožňuje spúšťať rôzne distribúcie operačného systému Linux. Obsahuje veľké množstvo vstupov a výstupov rôzneho typu. Procesor ARM Cortex-A8 s 256 MB RAM poskytuje dostatok výkonu pre široké spektrum aplikácií. Súčasťou dosky je aj 3D grafický akcelerátor a ďalší procesor z radu ARM Cortex-M3 na riadenie spotreby. Táto doska sa využíva aj na priemyselnú automatizáciu pre menej náročné aplikácie.

Beaglebone

Intel Galileo Gen 2

Doska dopĺňa mikrokontrolérovú zbernicu Arduino o výpočtovú kapacitu výkonného 32-bitového procesora Intel Quark™ SoC X1000a, ktorý je kompatibilný s Pentiom. K dispozícii má 256 MB DDR3, 512 kb SRAM, 8 MB NOR Flash a 8 kb EEPROM. Popri štandardných digitálnych aj analógových vstupoch a výstupoch je k dispozícii aj slot mini-PCI Express, ktorý sa bude najčastejšie využívať na modul Wi-Fi, 100 Mb eternetový port, slot na kartu microSD, port USB host a port USB client. Vysoký výkon je, pochopiteľne, podmienený vyššou spotrebou, takže tento kit sa hodí tam, kde je dostatok energie. Ako operačný systém možno využiť Linux (zostava Yocto 1.4 Poky), prípadne špeciálnu verziu Windows 8.1, ktorá je dostupná na stránke Microsoftu venovanej IoT.

Intel Galileo Gen 2

mbed

Tvorca architektúry procesorov ARM, ktoré sa využívajú nielen v mikrokontroléroch, ale aj vo väčšine androidových zariadení, ponúka zaujímavý operačný systém pre mikrokontroléry. Vystačí s 256 kB pamäte, takže sa dá aplikovať na vybrané modely všetkých typových radov rodiny Cortex-M. Systém mbed podporuje nielen Wi-Fi, Bluetooth a Zigbee, ale aj ďalšie protokoly využívané v inteligentných žiarovkách či elektrických zásuvkách. Podporuje aj IPv6.

Windows 10 aj na mikrokontroléroch

Windows 10 bude okrem zariadení na báze architektúr x86, x64 a ARM bežať aj na mikrokontrolérových doskách na báze procesorov ARM a x86. Pre tieto platformy bude určená odľahčená verzia Windows 10 kódovým označením Athens. Na jednoduchších doskách s nižšou kapacitou pamäte bude aj naďalej podporovaná platforma .NET Micro Framework.

Nasadenie vo firemnej sfére

Federálny úrad pre informačnú bezpečnosť v Nemecku 17. decembra 2014 zverejnil správu, v ktorej sa hovorí o značných škodách spôsobených počítačovými útokmi na jednu z nemeckých oceliarní. V dôsledku pôsobenia hackerov zamestnanci spoločnosti stratili kontrolu nad zariadeniami jednej z pecí, ktorú nejaký čas jednoducho nedokázali uhasiť.

Podobné incidenty vedú k zamysleniu sa nielen nad výhodami IoT, ale aj hrozbami a nebezpečenstvami, ktoré tento fenomén prináša. Jadrová elektráreň, metalurgický závod, vodárne alebo iné podobné zariadenia jednoducho nie sú parketou pre internet vecí.