פיתוח מהיר של IoT אלחוטי משובץ עם פלטפורמה רבת-ליבות מן-המדף עם Linux משובץ

יישומי אינטרנט של דברים (IoT) מתקדמים בתעשייה, רפואה, תחבורה וחקלאות דורשים תכני מערכות משובצות מורכבים יותר. במצבים כאלה, למפתחים לא נותרה ברירה אלא לבנות לוחות מותאמים-במיוחד שיעמדו בדרישות הביצועים, החיבוריות והציוד ההיקפי, למרות שהם מתמודדים עם לוחות זמנים צפופים יותר ותקציבים מצטמצמים. למרות שלוחות מן-המדף עשויים להיות זמינים, הביצועים, ההספק, הגודל, גורם-הצורה ותמהיל המאפיינים מונעים את השימוש בהם.

עם זאת, בעידן של IoT ו- IoT תעשייתי (IIoT) כה נפוצים, אפילו צוותי הפיתוח הפרודוקטיביים ביותר של מוצרים בהתאמה-מיוחדת מעוכבים עקב דרישות ההרשאה האזוריות עבור תתי-מערכות האלחוט, המאטות את האספקה ושוחקות את הזדמנויות השוק.

מאמר זה דן בדילמת הבנייה-העצמית לעומת הרכישה של לוחות משובצים מאופשרי-אלחוט. הוא גם מציג פלטפורמת פיתוח מוגמרת מבית Digi המספקת סביבת תוכנה מקיפה ביחד עם פלטפורמת חומרה ממוטבת עם מודולי אלחוט מורשים-מראש. המאמר מראה כיצד ניתן להשתמש בערכה כדי לעזור למפתחים לספק במהירות ובקלות פתרונות מערכת משובצים ומחוברים עוצמתיים יותר.

בנייה-עצמית לעומת רכישה עבור פיתוח לוחות משובצים

עבור מפתחי מערכות משובצות, ציפיות המשתמשים הסופיים והלחץ התחרותי ממשיכים להניע את הביקוש למוצרים עם פונקציונליות רבה יותר, אך בחלונות זמן הההולכים ומתכווצים של יציאה-לשוק ואספקה. המשתמשים מתעקשים על מערכות פשוטות יותר לחיבור, שימוש ותחזוקה. כתוצאה מכך המפתחים מתמודדים עם אתגרים הולכים וגדלים במספר חזיתות. עבור חיבוריות אלחוטית, פיתרונות האלחוט לטווחים קצרים ולטווחים ארוכים מביאים דרישות נלוות עבור ההרשאות לתכנים שלהם; מימוש יכולות תצוגה מתאימות מוסיף מורכבות ועלות לתכנים; והבטחת אמינות לאורך זמן וזמינות ארוכת-טווח של מערכות אלה מאתגרת את המפתחים למצוא פתרונות המסוגלים לעמוד בתנאים קשים ועדיין להישאר זמינים לאורך מחזורי החיים הממושכים הקיימים לרוב ביישומים תעשייתיים או רפואיים.

עבור יישומים מסוימים, פיתרון מתאים תלוי באורח קריטי בגישות תכנון מותאם-במיוחד כדי למטב כל תת-מערכת על מנת לעמוד בדרישות. אולם יותר ויותר פיתרונות תכנים מן-המדף מספקים פלטפורמה הניתנת להרחבה בקלות כדי לתמוך בדרישות הייחודיות של מגוון רחב של תחומי יישומים. ועדיין, צוותי הפיתוח ניגשים לעיתים להחלטה לבנות פיתרונות מותאמים-במיוחד לעומת רכישת מערכות שנבנו-מראש אך ורק מתוך חישוב עלות הפיתוח, שלפיו בניית תכן מותאם-במיוחד מהיסוד תעלה פחות מאשר רכישת תכן מן-המוכן.

למעשה, צוותי הפיתוח יכולים לגלות ששיקולים אחרים, כולל הרשאת האלחוט, הזמינות, יכולת התחזוקה ונושאי מחזור חיים אחרים, יכולים להגדיל את העלות הכוללת. בשוק הנע במהירות, האיחור הנדרש עבור מימוש תכן מותאם-במיוחד יכול לשחוק עוד יותר את נתח השוק ואת הזמן עד להכנסות, ובסופו של דבר להגביל את הרווחיות של מוצר חדש.

כדי להתמודד עם נושאים אלו, ערכת הפיתוח ConnectCore 8M Nano‏ CC-WMX8MN-KIT מבית Digi מציעה חלופה אפקטיבית לפיתוח בהתאמה-מיוחדת, ומעניקה פלטפורמה מוגמרת המסוגלת לעמוד בדרישות הביצועים והעלויות במגוון רחב של יישומים (איור 1).

איור 1: ערכת הפיתוח CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano מבית Digi מספקת את כל הדרוש כדי להתחיל בפיתוח מערכות מחוברות המסוגלות לעמוד בדרישות ההולכות וגדלות עבור תכני HMI, עיבוד אודיו/וידאו, מחשוב קצה ולמידת מכונה. (מקור התמונה: Digi)

כיצד פיתרון מוגמר עונה על דרישות פונקציונליות מגוונות

ערכת הפיתוח CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano מבית Digi מספקת פלטפורמת חומרה מקיפה שנועדה לקצר את זמן הפיתוח ואת זמן היציאה לשוק של מערכות. באמצעות ערכה זו המפתחים יכולים לממש בקלות מערכות מדרגיות לתמיכה ביישומים מגוונים ביותר כגון תכן ממשק אדם-מכונה (HMI), עיבוד אודיו/וידאו, מחשוב קצה, למידת מכונה ועוד. יחד עם לוח הפיתוח ConnectCore 8M Nano מבית Digi, הערכה כוללת אנטנה לשני פסי-תדר, כבל לנקודת-החיבור בקונסולה וספק-כוח כך שהמפתחים יכולים להתחיל מיידית ליצור יישומים מחוברים.

בדומה לערכות הפיתוח CoreConnect האחרות מבית Digi, ערכת הפיתוח ConnectCore 8M Nano מנצלת את פיתרונות מערכת-על-מודול (SoM‏) המשולבים-ביותר מבית Digi. מבוססים על רכיבים אחרים ממשפחת מעבדי i.MX‏ מבית NXP Semiconductor‏, ה- ConnectCore SOM‏ מבית Digi משלבים יכולות עבור מולטימדיה, אבטחה, חיבוריות קווית וחיבוריות אלחוטית מורשית-מראש, בין יתר המאפיינים הנדרשים עבור יישומים משובצים טיפוסיים. משמשים בשילוב עם סביבת תוכנה נרחבת, מודולי SoM אלו מפשטים את פיתוח המערכות המשובצות, ומאפשרים ליצרני מוצרים לספק מוצרים מתוחכמים יותר מהר יותר ובסיכון נמוך יותר לעומת האפשרויות האופייניות לגישות חומרה מותאמת-במיוחד.

עבור ערכת הפיתוח CC-WMX8MN-KIT, ה- SoM‏ מבית Digi משלב את היכולות של מעבד ה- 8M Nano‏ i.MX מבית NXP המבוסס על Cortex®-A53‏ ®Arm‏ ארבע-ליבות וליבות ARM Cortex-M7 עם זיכרון Flash של עד GB‏ 8‏, זיכרון DRAM‏ (Dynamic Random-Access Memory‏) מסוג LPDDR‏ (Low-Power Double Data Rate‏) של עד GB‏ 1‏, ומערך של תת-מערכות נוספות (איור 2).

איור 2: מבוסס על מעבד רב-ליבות i.MX 8M Nano מבית NXP‏, ה- SoM‏ מבית Digi משלב את הזיכרון, אפשרויות החיבוריות, האבטחה ויכולות ניהול הספקת-הכוח הנדרשות בתכני מערכות משובצות טיפוסיות. (מקור התמונה: Digi)

בין תת-המערכות שלו, ה- SoM משלב התקן אבטחה ממשפחת CryptoAuthentication מבית Microchip Technology המשלים את מאפייני האבטחה TrustZone של ליבות Arm Cortex-A53. התקן ה- CryptoAuthentication משלב מעבד קריפטוגרפי ייעודי, מחולל מספרים אקראיים באיכות גבוהה ואחסון מפתחות מוגן לביצוע מאובטח במהירות גבוהה של אלגוריתמי תשתית מפתחות-ציבוריים (PKI) ו- Hash‏.

אפשרויות החיבוריות המובנות של ה- SoM תומכות ב- (Gigabit Ethernet (GbE כמו גם ב- ‎802.11 a/b/g/n/ac Wi-Fi‏ ו- Bluetooth 5‏. כדי לעמוד בדרישות רשת אזור-רחב, המפתחים יכולים להוסיף אפשרויות חיבוריות סלולריות ואחרות פשוט על ידי חיבור מודולים סלולריים XBEE מבית Digi לסט לוחות ה- CC-WMX8MN-KIT של מחברים תואמי XBEE.

לצד מערך מלא של ממשקים היקפיים סטנדרטיים, ה- SoM תומך במספר ממשקי מולטימדיה עבור אודיו, מצלמה וצגים. יחידת עיבוד גרפיקה משולבת ובקר ממשק צג גביש נוזלי (LCDIF) מאפשרים למפתחים להוסיף בקלות צגי LCD אופציונליים כגון CC-ACC-LCDW-10‏ מבית Digi ולהתחיל ליצור במהירות תכני HMI עבור היישומים המשובצים שלהם.

ניהול הספקת-הכוח בתכנים המבוססים על מעבדים מתקדמים

ניהול הספקת-הכוח במערכת משובצת מורכבת יכול להיות אתגר משמעותי, במיוחד כאשר תכן המערכת משלב מעבד מתקדם כמו ה- i.MX 8M Nano מבית NXP. כמו עם מעבדים אחרים בקטגוריה זו, ה- i.MX 8M Nano מבית NXP מקבץ את תת-המערכות הנבדלות הרבות שלו לקבוצות הספקת-כוח נפרדות עבור מעבדי הליבה (VDD_ARM ו- VDD_SOC‏), (GPU (VDD_GPU, זיכרונות ((VDD_DRAM, NVCC_DRAM), אחסון לא-נדיף מאובטח (NVCC_SNVS_1P8, VDD_SNVS_0P8) ועוד כמה. המפתחים צריכים לא רק לספק פסי הספקת-כוח מתאימים עבור כל קבוצה, אלא גם לספק (ולהסיר) כוח לכל קבוצה ברצף תזמון ספציפי (איור 3).

איור 3: כמו במעבדים המתקדמים ביותר, ה- i.MX 8M Nano מבית NXP מחלק את תת-המערכות שלו לקבוצות הספקת-כוח נפרדות הזקוקות לפסי הספקת-כוח נבדלים משלהן וברצף ספציפי בעת האתחול. (מקור התמונה: NXP Semiconductor)

למעשה, ה- ConnectCore i.MX 8M Nano SoM מבית Digi דורש שתי כניסות הספקת-כוח בלבד ומשתמש ב- IC לניהול הספקת-כוח (PMIC‏) BD71850MWV‏ מבית Rohm Semiconductor‏ כדי לספק את מספר רמות הספקת-הכוח הנדרשות על ידי מעבד i.MX 8M Nano והתקנים אחרים. מתוכנן במיוחד כדי לתמוך במעבד i.MX 8M Nano‏ מבית NXP, ה- BD71850MWV‏ מבית ROHM משלב מספר מייצבי Buck עם מייצבים עם מפל-מתח נמוך (LDO) כדי לספק מערך שלם של פסי הספקת-כוח מספק-הכוח הראשי 5 וולט VSYS (איור 4).

איור 4: ה- BD71850MWV PMIC מבית ROHM מתוכנן במיוחד כדי לספק כוח למעבד ה- i.MX 8M Nano מבית NXP, ומספק מערך שלם של פסי הספקת-כוח הנדרשים על ידי המעבד כמו גם על ידי התקנים אחרים בתכן מערכת משובצת טיפוסי. (מקור התמונה: ROHM Semiconductor)

למרות שה- BD71850MWV מנהל את רצפי ההפעלה והכיבוי המפורטים הנדרשים למעבד, חברת Digi מוסיפה רמה נוספת של בקרה שנועדה למטב את צריכת ההספק הכוללת ולשמור על אמינות המערכת. משולב ב- SoM, ה- (Microcontroller Assist (MCA מבית Digi משתמש במיקרו-בקר (MCU‏) ייעודי MKL17Z64VDA4‏ Kinetis KL17‏ מבית NXP עבור ניהול הספקת-הכוח ברמת-המערכת. מבוסס על ליבת +ARM Cortex-M0 בהספק אולטרה-נמוך, המיקרו-בקר Kinetis KL17 מבית NXP צורך רק 46 מיקרו-אמפר (μA) לכל מגה-הרץ (MHz) באופן פעולה בהספק נמוך ביותר, ו- μA‏ 1.68 באופן עצירה, שבו הוא שומר על תפקודי הזיכרון ושעון זמן-אמת (RTC).

מתוכנן להישאר פעיל גם כאשר המערכת באופן שינה, ה- MCA מבצע פקודות קושחה ניתנת-לשדרוג הפועלת על המיקרו-בקר KL17 כדי לספק מספר אפשרויות עבור יקיצת מעבד המערכת i.MX 8M Nano מבית NXP. לדוגמה, חברת Digi מגדירה ברירת-מחדל המשביתה את ה- RTC של מעבד המערכת לטובת פונקציונליות RTC בהספק נמוך יותר הממומשת בקושחת ה- MCA. המפתחים יכולים להשתמש בממיר האנלוגי-לדיגיטלי (ADC‏) Bit‏-12‏ של ה- MCA כדי לנטר אירועים חיצוניים וליצור פסק (Interrupt) שיגרום ליקיצת מעבד המערכת רק כאשר הוא נדרש. ולהפך, קושחת ה- MCA מממשת שלושה בקרי אפנון רוחב-פולס (PWM) רבי-ערוצים עבור פעולות חיצוניות. כדי להבטיח אמינות מערכת כוללת, קושחת ה- MCA מספקת גם פונקציונליות של קוצב-זמן Watchdog המאפסת את המערכת כולה או רק את מעבד המערכת אם התוכנה הפועלת על אותו מעבד נתקעת, או אחרת אינה מבצעת את התחזוקה המקובלת של קוצב-הזמן Watchdog במהלך ריצת תוכנה רגילה.

בעת אתחול המערכת, ה- MCA מתחיל לפעול ברגע שהוא מקבל הספקת-כוח. לאחר שיהוי ניתן-לתכנות, ה- MCA מפעיל בתורו את ה- BD71850MWV PMIC, המבצע את רצף ההפעלה של ה- i.MX 8M Nano שתואר קודם לכן. איפוס המערכת או המעבר מאופני שינה עם צריכת הספק נמוכה פועלים באופן דומה כאשר ה- MCA מתאם את חידוש הספקת-הכוח עם ה- PMIC והמעבד.

סביבת תוכנה Linux משובצת מוכנה-לייצור

ערכת הפיתוח CC-WMX8MN-KIT מבית Digi משתמשת בבסיס החומרה הנרחב שלה כדי לספק סביבת תוכנה מוכנה-לייצור המריצה את קוד המקור הפתוח Digi Embedded Yocto‏ (DEY). מבוסס על מערכת הפצת Linux משובץ הפופולרית של Yocto Project, ה- DEY מרחיב את ההפצה הבסיסית עם יכולות נוספות של חבילת תמיכה בלוחות (BSP) שתוכננה במיוחד לתמיכה בפלטפורמת החומרה של Digi (איור 5).

איור 5: ה- Digi Embedded Yocto מרחיב את הפצת הבסיס של Yocto Project Linux עם הרחבות חבילת תמיכה בלוחות (BSP) עבור חומרת Digi. (מקור התמונה: Digi)

מבין הרחבות BSP‏ עבור Linux Kernel, ה- TrustFence מבית Digi מספק מסגרת-עבודה לאבטחת התקני Linux. באמצעות יכולות האימות וניהול הזהויות שלהם, שירותי TrustFence מקיפים מבקרת גישה ברמה-נמוכה של נקודות-חיבור I/O פנימיות וחיצוניות ועד לתמיכה ברמה-גבוהה עבור חיבורי רשת מאובטחים ו- Boot מאובטח באמצעות תמונות קושחה מאומתות. למרות שהוא לא נתמך תחילה במודול ConnectCore 8M Nano‏, ה- TrustZone מבית Digi יהיה זמין בגרסת DEY עתידית.

בנוסף ליישומי אבטחה וניהול ברמת ההתקנים הבודדים, יישומי IoT בקנה מידה גדול זקוקים בהכרח ליכולת לנטר ולנהל ציים של התקני IoT. כדי לתמוך בדרישות אלו, ה- Digi Remote Manager מספק שירות מבוסס-ענן המתוכנן לתמוך בניטור התקינות, ניהול התצורה ועדכוני הקושחה של ההתקנים. באמצעות אפליקציה לניידים או תוכנת שולחן-עבודה, המפתחים יכולים להשתמש ב- Digi Remote Manager כדי להציג פרטים על פעולות צי ההתקנים, כולל תקינות הצי, התרעות, סטטוס החיבורים ועוצמת האותות (איור 6).

איור 6: השירות מבוסס-ענן Digi Remote Manager מאפשר למפתחים לנטר ולנהל פרישות IoT בקנה מידה גדול מהמחשב השולחני או מההתקן הנייד שלהם. (מקור התמונה: Digi)

מלבד יכולות הניטור שלו, ה- Digi Remote Manager מאפשר למפתחים לנהל באופן פעיל יותר נתונים, חיבורים ותוכנות התקנים באופן אינטראקטיבי באמצעות Command Line‏ או על ידי תכנות עם ממשקי תכנות היישומים (API) של השירות. באמצעות יכולות אלה, המפתחים יכולים לאתחל-מחדש את ההתקנים, להעלות קבצים, ולבצע בקלות עדכוני קושחה ותוכנה המוניים ברחבי הצי הנדרשים בהתקנים מחוברים טיפוסיים, אך לעיתים קרובות מאתגרים מבחינה לוגיסטית בפרישות בקנה מידה גדול.

סיכום

הביקוש ליישומים מתוחכמים יותר במגזרי השוק של התעשייה, הרפואה, התחבורה והחקלאות מניע את הדרישות לתכני מערכות משובצות מוכוונות-IoT מורכבות יותר. דרישות הרשאה אזוריות עבור תתי-מערכות אלחוט קשורות גם סיבכו את העניינים והאטו את השקת התכנים.

כדי להתמודד עם נושאים אלו, ערכת הפיתוח מבית Digi מספקת סביבת תוכנה מקיפה ופלטפורמת חומרה ממוטבת עם מודולי אלחוט מורשים-מראש. כפי שהוצג, הערכה מאפשרת למפתחים לספק ביתר קלות ומהירות פיתרונות מערכת משובצים מחוברים רבי-עוצמה.