Nopeuta sulautettua langatonta IoT-kehitystä käyttövalmiilla moniytimisillä Linux-alustoilla

Korkealaatuiset esineiden internet (IoT) -sovellukset teollisuudessa, lääketieteessä sekä kuljetus- ja maatalousalalla edellyttävät kompleksisempien sulautettujen järjestelmien suunnittelua. Tällaisissa tilanteissa kehittäjillä ei ole ollut paljon muuta vaihtoehtoa kuin rakentaa räätälöityjä ratkaisuita suorituskyvyn, verkkoyhteyksien ja oheislaitevaatimusten täyttämiseksi, tiukemmista aikatauluista ja supistuvista budjeteista huolimatta. Vaikka valmiita ratkaisuita olisi saattanut olla saatavana, niiden suorituskyky, teho, koko, muoto ja ominaisuudet estivät niiden käytön.

Kaikkialla läsnä olevan IoT:n ja teollisen IoT:n (IIoT) aikakaudella jopa kaikkein tuottavimmat räätälöityjä ratkaisuita tarjoavat kehitystiimit ovat olleet myöhässä langattomien osajärjestelmien alueellisista sertifiointivaatimuksista johtuen, ja nämä ovat hidastaneet toimituksia ja heikentäneet markkinamahdollisuuksia.

Tässä artikkelissa käsitellään langattomia yhteyksiä käyttävien sulautettujen ratkaisuiden ongelmaa ”tehdäkö itse vai ostaako valmiina”. Tämän jälkeen artikkeli esittelee käyttövalmiin Digi-kehitysalustan, joka tarjoaa monipuolisen ohjelmistoympäristön ja esisertifioituja langattomia moduuleja käyttävän optimoidun laitteistoalustan. Artikkelissa kerrotaan, kuinka sarja voi auttaa kehittäjiä toimittamaan tehokkaampia verkkoon yhdistettyjä sulautettuja järjestelmäratkaisuita nopeasti ja helposti.

Tehdäkö sulautetun ratkaisun kehitys itse vai ostaako valmis laite

Sulautettujen järjestelmien kehittäjien näkökulmasta loppukäyttäjien odotukset ja kilpailupaine pakottavat toimittamaan entistä laajempaa toiminnallisuutta vaativia tuotteita samalla kun aika niiden markkinoilletuontiin kutistuu. Käyttäjät vaativat järjestelmiä, jotka on helpompi yhdistää verkkoon, käyttää ja ylläpitää. Tämän seurauksena kehittäjät kohtaavat kasvavia haasteita useilla rintamilla. Langattoman verkkoyhteyden osalta lyhyen ja pitkän kantaman langattomat ratkaisut on sertifioitava; sopivien näyttöominaisuuksien toteutus lisää kompleksisuutta ja kustannuksia; lisäksi näiden järjestelmien jatkuvan luotettavuuden ja pitkäaikaisen saatavuuden varmistaminen pakottavat kehittäjät etsimään sellaisia ratkaisuja, jotka kestävät vaativia olosuhteita ja tukevat teollisissa tai lääketieteellisissä sovelluksissa vaadittavaa pitkää tuote-elinkaarta.

Joissakin sovelluksissa sopiva ratkaisu riippuu oleellisesti räätälöidyistä suunnittelutavoista kunkin osajärjestelmän optimoimiseksi vaatimusten täyttämiseksi. Valmiina saatavat suunnitteluratkaisut tarjoavat kuitenkin yhä enemmän alustoja, joita voidaan helposti laajentaa erilaisten sovellusalueiden uniikkien vaatimuksien mukaisesti. Kehitystiimit lähestyvät toisinaan kuitenkin päätöstä rakentaako räätälöity ratkaisu vai ostaako valmiiksi rakennettu järjestelmä pelkästään kehityskustannusten perusteella ja laskevat, että räätälöidyn ratkaisun rakentaminen alusta alkaen itse maksaa vähemmän kuin valmiin ratkaisun ostaminen.

Kehitystiimit voivat itse asiassa huomata että muut tekijät, esimerkkeinä langattoman laitteen sertifiointi, saatavuus, ylläpidettävyys ja muut elinkaariongelmat saattavat lisätä kokonaiskustannuksia. Nopeasti muuttuvilla markkinoilla räätälöidyn ratkaisun toteuttamiseen tarvittava viive voi edelleen heikentää markkinaosuutta sekä pidentää investoinnin ja tuoton välistä aikaa. Tämä voi viime kädessä vaikuttaa uuden tuotteen kannattavuuteen.

Näiden ongelmien ratkaisemiseksi Digin CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano -kehityssarja tarjoaa tehokkaan vaihtoehdon räätälöidylle kehitykselle. Se tarjoaa valmiin alustan, joka pystyy vastaamaan erilaisten sovelluksien suorituskyky- ja kustannusvaatimuksiin (kuva 1).

Kuva 1: Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano -kehityssarja tarjoaa kaiken tarvittavan sellaisten verkkoon liitettyjen järjestelmien kehittämiseen, jotka pystyvät vastaamaan kasvaviin käyttöliittymäsuunnittelun, ääni- /videoprosessoinnin, reunalaskennan ja koneoppimisen vaatimuksiin. (Kuvalähde: Digi)

Kuinka valmisratkaisu vastaa erilaisiin toiminnallisiin vaatimuksiin

Digi CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano -kehityssarja tarjoaa kattavan laitteistoalustan, joka on suunniteltu lyhentämään kehitysaikaa ja järjestelmien markkinoilletuontiaikaa. Tämän sarjan avulla kehittäjät voivat helposti toteuttaa järjestelmiä, jotka skaalautuvat tukemaan niinkin erilaisia sovelluksia kuin ihmisen ja koneen käyttöliittymän (HMI) suunnittelu, ääni-/videoprosessointi, reunalaskenta, koneoppiminen ja niin edelleen. Digi ConnectCore 8M Nano -kehitysalustan ohella sarja sisältää kaksikaistaisen antennin, konsoliportin kaapelin sekä virtalähteen. Näin kehittäjät voivat heti aloittaa verkkoon yhdistettyjen sovellusten luomisen.

Kuten muissakin Digin CoreConnect-kehityssarjoissa, ConnectCore 8M Nano -kehityssarjassa hyödynnetään Digin erittäin korkeasti integroituja SoM-järjestelmämoduuliratkaisuja. NXP Semiconductorin i.MX-prosessoriperheen jäseniin perustuvissa Digi ConnectCore SOM-piireissä integroidaan multimedia, tietoturva, langalliset yhteydet sekä esisertifioidut langattomat yhteydet muiden tyypillisiin sulautettuihin sovelluksiin tarvittavien ominaisuuksien lisäksi. Nämä järjestelmämoduulit ja niiden monipuoliset ohjelmistoympäristöt yksinkertaistavat sulautettujen järjestelmien kehitystä, jolloin tuotevalmistajat voivat toimittaa sofistikoituneempia tuotteita nopeammin ja pienemmällä riskillä kuin mitä tyypillisesti on mahdollista räätälöityjä laitteistoja käyttämällä.

Kuva 2: NXP i.MX 8M Nano -moniydinprosessoriin perustuvassa Digi-järjestelmämoduulissa yhdistyvät tyypillisten sulautettujen järjestelmien suunnittelussa tarvittavat muisti-, liitäntämahdollisuus-, suojaus- ja virranhallintaominaisuudet. (Kuvalähde: Digi)

Järjestelmämoduulin osajärjestelmissä käytetään Microchip TechnologynCryptoAuthentication-perheen suojauslaitetta, joka täydentää Arm Cortex-A53 -ydinten TrustZone-turvaominaisuuksia. CryptoAuthentication-laite yhdistää erillisen salausprosessorin, laadukkaan satunnaislukugeneraattorin ja suojatun avaimen tallennuksen. Näitä käytetään hash- ja julkisen avaimen infrastruktuurin (PKI) algoritmien suorituksessa.

Järjestelmämoduulin sisäänrakennetut liitäntämahdollisuudet sisältävät gigabitin Ethernet-yhteyden (GbE), esisertifioidun 802.11 a/b/g/n/ac -Wi-Fi-verkkoyhteyden sekä Bluetooth 5 -yhteyden. Kehittäjät voivat täyttää laajaverkkovaatimukset lisäämällä matkapuhelin- ja muita liitäntävaihtoehtoja liittämällä yksinkertaisesti CC-WMX8MN-KIT-kortin XBEE-yhteensopivien liittimiin Digi XBEE-solumoduulin.

Järjestelmämoduuli tukee kaikkien tavallisten oheislaitteiden lisäksi useita multimedialiitäntöjä äänelle, kameralle ja näytöille. Integroidun näytönohjaimen ja LCDIF (Liquid Crystal Display Interface) -ohjaimen ansiosta kehittäjät voivat helposti lisätä haluamansa LCD-paneelin, esimerkkinä Digi CC-ACC-LCDW-10, ja alkaa nopeasti luoda HMI-omaisuuksia sulautettuihin sovelluksiinsa.

Tehon hallinta käytettäessä korkeatasoisia prosessoreja

Tehon hallinta voi olla merkittävä haaste kompleksisessa sulautetussa järjestelmässä, varsinkin kun järjestelmässä käytetään korkeatasoista prosessoria kuten NXP i.MX 8M Nano. Kuten muutkin tämän luokan prosessorit, NXP i.MX 8M Nano ryhmittelee useita erillisiä alijärjestelmiä erillisiksi tehoalueiksi: ydinprosessorit (VDD_ARM ja VDD_SOC), GPU (VDD_GPU), muisti (VDD_DRAM, NVCC_DRAM), suojattu haihtumaton tallennustila (NVCC_SNVS_1P8, VDD_SNVS_0P8) sekä eräitä muita. Kehittäjien tulee tarjota oikeat tehokiskot kullekin tehoalueelle sekä kytkeä ja katkaista virta kullekin tehoalueelle tietyssä aikajärjestyksessä (kuva 3).

Kuva 3: Kuten useimmat korkeatasoiset prosessorit, NXP i.MX 8M Nano jakaa alijärjestelmänsä erillisiksi tehoalueiksi, joiden syöttöjännitekiskot on kytkettävä päälle tietyssä järjestyksessä käynnistyksen yhteydessä. (Kuvalähde: NXP Semiconductor)

Itse asiassa Digin ConnectCore i.MX 8M Nano -järjestelmämoduuli vaatii vain kaksi virtalähdetuloa ja se käyttää ROHM SemiconductorinBD71850MWV -virranhallintapiiriä (PMIC) i.MX 8M Nano -prosessorin ja muiden laitteiden edellyttämien monien syöttöjännitetasojen toimittamiseksi. ROHM BD71850MWV on suunniteltu erityisesti NXP i.MX 8M Nano -prosessoria varten ja se tarjoaa useita jännitteenalennusregulaattoreita sekä LDO-regulaattoreita tarjoten kaikki piirin tarvitsemat jännitekiskot. Itse se tarvitsee 5 voltin VSYS -virtalähteen (kuva 4).

Kuva 4: ROHM BD71850MWV PMIC on suunniteltu erityisesti NXP i.MX 8M Nano -prosessoria varten ja se tarjoaa kaikki tyypillisessä sulautetussa järjestelmässä tarvittavat jännitekiskot. (Kuvalähde: ROHM Semiconductor)

Vaikka BD71850MWV hoitaakin prosessorin vaatimat tarkat käynnistys- ja sammutussekvenssit, Digi lisää uuden ohjaustason, jonka tarkoitus on optimoida kokonaisvirrankulutus ja säilyttää järjestelmän luotettavuus. Digi Microcontroller Assist (MCA) käyttää järjestelmämoduuliin integroitua erillistä NXP Kinetis KL17 MKL17Z64VDA4 -mikroprosessoria (MCU) järjestelmätason virranhallintaa varten. Erittäin vähävirtaiseen Arm Cortex-M0+ -ytimeen perustuva NXP Kinetis KL17 MCU kuluttaa vain 46 mikroampeeria (μA) megahertsiä (MHz) kohden erittäin vähävirtaisessa suoritustilassa ja 1,68 μA pysäytystilassa, jossa se säilyttää sekä muistin että reaaliaikakellon (RTC).

MCA pysyy aktiivisena vaikka järjestelmä olisi lepotilassa ja suorittaa päivitettävää laiteohjelmistoa KL17 MCU:lla ja tarjoaa useita vaihtoehtoja NXP i.MX 8M Nano -prosessorin herättämiseen. Digin oletusasetus esimerkiksi poistaa järjestelmäprosessorin RTC:n käytöstä MCA-laiteohjelmistossa käytettävän vähävirtaisemman RTC-toiminnan sijasta. Kehittäjät voivat käyttää MCA:n 12-bittistä analogi-digitaalimuunninta (ADC) ulkoisten tapahtumien seuraamiseen ja keskeytyksen luomiseksi järjestelmäprosessorin herättämiseksi vain kun se on tarpeen. Toisaalta MCA-laiteohjelmisto tarjoaa kolme monikanavaista PWM-ohjainta (Pulse Width Modulation) ulkoisia operaatioita varten. Järjestelmän yleisen luotettavuuden varmistamiseksi MCA-laiteohjelmisto tarjoaa myös vahtiajastimen, joka nollaa koko järjestelmän tai vain järjestelmäprosessorin, jos kyseisellä prosessorilla suoritettava ohjelmisto jumittuu tai jos se ei muuten huolehdi vahtiajastimesta normaalin ohjelmiston suorituksen aikana.

Järjestelmän käynnistyksen aikana MCA alkaa toimia heti, kun se saa virtaa. Ohjelmoitavan viiveen jälkeen MCA puolestaan käynnistää BD71850MWV PMIC-piirin, joka suorittaa aiemmin kuvatun i.MX 8M Nanon käynnistyssekvenssin. Järjestelmän nollaus tai siirtyminen pienitehoisista lepotiloista toimii samalla tavalla, MCA koordinoi virran palauttamista PMIC-piirille ja prosessorille.

Tuotantovalmis sulautettu Linux-ohjelmistoympäristö

Kattavan laitteistoalustansa ansiosta Digi CC-WMX8MN-KIT -kehityssarja voi tarjota tuotantovalmiin ohjelmistoympäristön käyttäen Digi Embedded Yocto (DEY) -jakelua. DEY perustuu Yocto-projektin suosittuun sulautettuun Linux-jakeluun ja laajentaa kyseistä perusjakelua lisäämällä siihen BSP (Board Support Package) -ominaisuudet, jotka on tukevat erityisesti Digi-laitteistoalustaa (kuva 5).

Kuva 5: Digi Embedded Yocto laajentaa perustason Yocto Project Linux -jakelua Digi-laitteistolle tarkoitetulla BSP-laajennuksella. (Kuvalähde: Digi)

BSP laajentaa Linux-ydintä ja Digin TrustFence tarjoaa Linux-laitteille turvallisuuskehyksen. TrustFence-palvelut käyttävät omia todennus- ja henkilöllisyydenhallintamahdollisuuksiaan ja kattavat sekä sisäisten että ulkoisten I/O-porttien matalan tason käyttöoikeuksien valvonnan aina suojattujen verkkoyhteyksien korkean tason tukeen ja suojattuun käynnistykseen käyttämällä validoituja laiteohjelmakuvia. Vaikka Digi TrustZone ei ole alun perin tuettu ConnectCore 8M Nano -moduulissa, se on saatavana tulevassa DEY-julkaisussa.

Sen lisäksi että suuren mittakaavan IoT-sovellukset soveltavat tietoturvaa ja hallintaa yksittäisen laitteen tasoilla, niiden on väistämättä tarjottava mahdollisuus seurata ja hallita suuria määriä IoT-laitteita. Digi Remote Manager täyttää nämä vaatimukset tarjoamalla pilvipohjaisen palvelun, joka tarjoaa laitteen kunnonvalvonnan, konfiguraationhallinnan sekä laiteohjelmistopäivitykset. Mobiilisovelluksen tai työpöytäohjelmiston avulla kehittäjät voivat käyttää Digi Remote Manager -ohjelmaa ja näyttää tietoja laitekannasta, mukaan lukien laitteiden kunto, hälytykset, yhteyden tila ja signaalin voimakkuus (kuva 6).

Kuva 6: Digi Remote Manager -pilvipalvelun avulla kehittäjät voivat seurata ja hallita laajamittaisia IoT-ratkaisuja työpöydältä tai mobiililaitteesta. (Kuvalähde: Digi)

Seurantamahdollisuuksien lisäksi Digi Remote Manager tarjoaa kehittäjille mahdollisuuden hallita aktiivisemmin tietoja, verkkoyhteyksiä ja laiteohjelmistoja interaktiivisesti komentoriviltä tai ohjelmallisesti käyttäen palvelun sovellusohjelmointirajapintoja (API). Näiden ominaisuuksien avulla kehittäjät voivat käynnistää laitteita uudelleen ja ladata tiedostoja sekä suorittaa helposti kaikkien laitteiden laiteohjelmisto- ja ohjelmistopäivitykset. Verkkoon liitetyiltä laitteilta tyypillisesti näitä ominaisuuksia, mutta ne ovat usein logistisesti haastavia laajamittaisissa laiteasennuksissa.

Yhteenveto

Sofistikoituneempien sovellusten kysyntä teollisuuden, lääketieteen, kuljetusalojen ja maatalouden markkinasegmenteillä lisää vaatimuksia kompleksisemmalle IoT-orientoituneelle sulautettujen järjestelmien suunnittelulle. Näissä käytettävien langattomien osajärjestelmien alueelliset sertifiointivaatimukset monimutkaistavat asioita ja hidastavat suunnittelua.

Digi-kehityssarja tarjoaa ongelmien ratkaisemiseksi monipuolisen ohjelmistoympäristön sekä optimoidun laitteistoalustan, jossa käytetään valmiiksi sertifioituja langattomia moduuleja. Kuten artikkelissa esitetään, kehittäjät voivat sarjan avulla toimittaa tehokkaita verkkoon kytkettyjä sulautettuja järjestelmäratkaisuja helpommin ja nopeammin.