为IoT和IIoT应用选择微控制器开发工具包的介绍性指南

作者：贸泽电子 Mark Patrick

物联网（IoT）已经在我们周围无处不在，对于嵌入式开发工程师来说，开始一个新的物联网设计需要严格关注多个因素，如功耗、感测能力和无线连接等，不断增大的上市时间压力则加剧了这种需要。物联网开发工具包则为设计师提供了一个可行且方便易用的原型平台，但物联网开发工具包的功能差异很大，因此需要仔细考虑具体应用需求、工具包的功能和性能。

本文将重点介绍为新设计项目选择物联网开发工具包所涉及的许多考虑因素。

在线时代

毫无疑问，我们正处于一个在线时代，互联设备无处不在，有些是我们平时佩戴，有些是帮助我们准确监测用电量，还有一些能够在有客人来访时通知我们。对于工业生产过程，工业物联网（IIoT）的出现正在改变工厂的运营方式，并帮助提高整体设备效率。在短短十年中，我们已经改变了与周围世界互动以及控制周围世界的方式。我们过去时常惊叹如果没有手机是如何应对这一起，而现在我们已经习惯了实时访问有关生活和工作各个方面的信息。

我们的汽车也在经历一些根本的变化，所接收到的最新交通流信息能够提醒我们前方可能出现的延误。通过利用互联网连接的医疗监测设备，患者可以舒适地在家中休息，并确信由于具备在线监测，在需要时医护人员会进行现场干预。

由于政府实施的工业4.0等一些举措，推动了对自动化、流程效率改进以及更精简运营的需求，因而物联网已经快速被行业所采纳。现在，大量的传感器可监测并报告流程每个阶段的状态，并将数据反馈给自动化控制和分析系统。

部署IoT/IIoT的好处非常明显，但从电子工程的角度来看，开发物联网设备也存在许多挑战。

探索物联网设备的需求

各种不同的物联网应用差异很大，但无论是为工业过程设计压力传感器还是为办公室设计房间占用传感器，一组核心功能要求通常保持不变。

为创建物联网设备的大概工程规格和参数，需要进行初步的事实考证，应考虑以下重点关注的几个方面，这些将基本定型其功能架构和设计。

传感功能：从温度到气压，再到人的运动，传感器可以感知我们周围的世界。例如，摄像头可能会将数据流传输到机器学习应用，以进行物体检测，从而确认标签已正确粘贴到瓶子上。一些技术决策取决于检测到的内容和检测频率，其它考虑因素包括传感器成本、尺寸和复杂性等。用于测量温度的热敏电阻在转换为数字形式之前，需要由模拟范畴的附加组件和一些软件处理。另一个因素是需要多少个传感器以及它们的轮询（polled）频率。

连接性：物联网设备如何与主机控制系统进行交互？在每个应用案例场景中都可以使用可靠的无线通信吗？还是首选有线通信？传感器的类型决定了需要传输多少数据以及传输频率。在大型部署中，无线网格技术通常能够提供更强大的通信链路，但要求所有物联网设备都以这种方式运行。对于无线通信，需要在创建分立式设计，还是选择经过认证的模块之间做出决策。

电源：您的物联网设备功耗情况可能会是怎样？某些应用、通信频率和无线协议可能具有超过小型电池容量的巨大电力负载。对于某些部署方案，是否可以提供线路电源？最近的物联网传感器发展趋势是采用能量收集技术来完全去除电池，取而代之的是，从太阳能、振动和热量等环境能源中获取能量，为超级电容器充电。

用户界面：物联网设备是否需要与用户交互？如果在运行期间不需要，在安装和连接到主机系统期间会怎么样？是否需要显示器或任何其他形式的指示或状态LED？

云端分析和控制应用：物联网的本质是所有设备连接到控制主机系统，而连接方法和协议确定了传感器的软件需求以及与主机的交互方式。数据流是否需要恒定的数据传输链路，或者可以定期批量发送？

物联网开发工具包选择提示和技巧

开发工具包为嵌入式工程师提供了一种方便快捷的原型设计方法。在本一节中，我们将着重讨论工程师在选择合适的开发套件时应该考虑的一些因素。领先的微控制器供应商提供了多种物联网开发和评估工具，因此最好的方法是根据具体应用要求做出明智的决定。下面是选择开发工具包平台时需要检查的一些功能列表。

电源：

·电路板是如何供电的？通过主机工作站的USB？电池供电？它可以由预想的电源供电吗？它是否有PMIC，从而可以用来尝试其他电源？

·是否可以在线路内放置电流探针来测量实时功耗并进行分析？如果可以，电路板上是否包括所有零部件以及任何附加的模块、传感器等？

传感器：

·电路板是否配备了应用需要使用的传感器类型？
·是否可以添加其他传感器？使用外围设备连接或行业标准的附加格式，如mikroBUS Click？
·可访问哪些外围接口？I²C、UART、SPI、GPIO？
·电路板或微控制器是否有您可以使用的ADC，是否需要其他信号调节组件？

连接性：

·电路板上有哪些有线/无线连接选项？以太网、Wi-Fi、LoRa、BLE、ISM等。
·如果没有板载连接，是否可以轻松添加？制造商是否建议并支持合适的无线模块，或者是否存在第三方接口（mikroBUS Click.等）选项？
·电路板固件是否能够实现固件的无线更新？

计算资源：

·电路板是否具有您打算使用的微控制器？您以前使用过它吗？您是否已经拥有合适的开发工具链？
·电路板的计算资源是否足以运行物联网应用程序、主机协议和所有连接协议栈？
·如果微控制器集成有无线收发器，您是否可以独立控制其睡眠模式以实现节能目的？
·MCU有哪些内置安全功能，它们适合您的应用吗？

用户控件：

·该电路板是否配备了所有用户按钮、触摸感应滑块或其他用户控制硬件功能？
·是否有显示器？在最终应用中是否有必要？
·是否可以从您的代码访问任何用户LED？是否有足够的可用端口，或者可以使用备用GPIO端口快速添加？

软件支持：

·该电路板的推荐开发工具链是什么？您已经有了吗？
·是否包括综合板支持包（BSP）？
·需要哪些额外的驱动、程序库和固件，它们是免费的吗？
·与电路板制造商一起检查固件和中间件许可要求。
·电路板是否提供了预装演示，可以显现该板的功能？它是否包括与流行服务提供商（如Microsoft Azure或Amazon AWS）之间的通信？
·电路板上是否有其他演示和代码示例？是否存在一个包括程序库和开发伙伴的生态系统？

物联网开发板展示

Microchip WFI32物联网开发板

Microchip WFI32，部件参考代码EV36W50A，这是一个全面、完全集成的独立物联网开发板（参见图1）。

图1：Microchip EV36W50A物联网开发工具包。（来源：Microchip）

WFI32 IoT集成了基于PIC系列微控制器的Microchip WFI32E01PC Wi-Fi 802.11无线模块，板载传感器包括一个Microchip数字I²C温度IC和一个数字环境光IC，开发人员可以通过mikroBUS插座连接其他传感器或外围设备。该无线MCU模块还配有集成天线，电路板可以通过工作站主机或LiPo电池供电，而板载PMIC则允许通过USB主机提供电池充电功能。

图2显示了WFI32 IoT电路板的功能框图，并突出显示了集成到该板的Microchip组件。

图2：Microchip WFI32 IoT EV36W50A开发板功能框图。（来源：Microchip）

该电路板预装了一个现成的（OOB）演示图像，可以读取板载传感器，并将数据发送到Amazon AWS云端。演示代码和完整说明可从GitHub存储库获取。

STMicroelectronics STEVAL ASTRA1B多种连接资产跟踪参考设计

图3显示了STEVAL ASTRA1B开发工具包和参考设计，它专为原型制作和评估资产跟踪应用而设计，其中集成了两个无线连接模块：一个为STM32WB5MMG低功耗、短距离2.4GHz无线BLE/ZigBee微控制器模块，另一个为远程亚GHz STM32WL55JC无线MCU模块，用于LoRa等LPWAN通信。

图3：STEVAL-ASTRA1B资产跟踪开发工具包。（来源：STMicroelectronics）

STEVAL ASTRA1B包括一套全面的传感器，能够测量多种环境和运动参数。全球导航卫星系统（GNSS）模块可提供室外定位数据。其他板载功能包括STSAFE安全元件、480 mAh电池，以及由资产跟踪仪表板和智能手机应用程序组成的OOB演示。

Silicon Labs的 xG24-RB4188A是一种插入式分集天线模块，用于制作2.4GHz无线应用的原型（参见图4），它可插入Silicon Labs BRD4001无线启动板。该模块包含一个Silicon Labs EFR32 Wireless Gecko片上系统、一个射频开关、匹配网络和两个SMA天线连接器。EFR32的RF输出为+20 dBm。

图4：安装在Silicon Labs Wireless Kit Pro主板上的Silicon Labs xG24-RB4188A分集天线模块。（来源：Silicon Labs）

SEMTECH LR1120开发套件

针对基于SEMTECH LR1120无线微控制器的LoRa LPWAN应用原型设计，SEMTECK可提供一系列LR1120开发工具包，如图5所示。

图5：SEMTECH LR1120开发工具包示例。（来源：SEMTECH）

根据工业、科学和医疗（ISM）等亚GHz频谱领域要求，这些套件有针对不同地区的变体。

LR1120适合多个区域资产定位、库存管理和防盗应用。

本文前面部分重点介绍了向开发板添加其他传感器或外围设备的功能。如Microchip开发板说明中所述，它配备了一个mikroBUS插座。Mikroe开发的mikroBUS已迅速成为许多半导体供应商在开发和评估板上广泛采用的行业标准。mikroBUS将SPI、UART和I²C等串行连接与电源、模拟和PWM信号等整合在一起，形成紧凑的插座格式。Mikroe已经开发了数百个采用这种方便外形的Click板。

Mikroe Ultra-Low Press Click就是其中一个例子。该板设计用于低压气动测量，它拥有一个TE Connectivity SM8436压力传感器，可通过I²C接口进行通信（参见图6）。

图6：Mikroe Ultra-Low Press Click板。（来源：Mikroe）

使用物联网开发工具包继续前进

由于这些开发板的出现，物联网应用的原型制作变得非常容易。这篇短文着重讨论了嵌入式工程师在选择合适开发板时应该考虑的一些问题。除上述主题外，还需要考虑满足特定应用的具体要求。

您打算开发什么？