Современные IoT-контроллеры и микрокомпьютеры

Следующая статья поможет вам: Современные IoT-контроллеры и микрокомпьютеры

Если вам необходимо собрать проект IoT и перед вами стоит выбор аппаратной платформы для стороны клиента, в настоящее время существует широкий выбор плат и решений для построения эффективной и недорогой системы с использованием готовых модулей. В далекие времена, когда появились первые электронные устройства, первые энтузиасты создавали электронные устройства из доступных элементов. Это были первые электромеханические устройства. После этого появились ламповые устройства, позволившие построить в домашних условиях простые электронные устройства, например, радиоприемник.

С развитием технологий появился новый класс электронных устройств, таких как транзисторы, что позволило энтузиастам DIY создавать более сложные решения. Таким образом стало возможным создание широкого спектра домашних устройств, в том числе высококачественных усилителей звука, схем управления светом, электронных дверных звонков, контроллеров освещения елки.

А уже в эпоху микросхем СБИС значительно расширились возможности сборки еще более сложных устройств, включая домашние компьютеры, типа Sinclair, и нестандартные решения в электронике. Невероятно расширены возможности создания различных устройств для Интернета вещей за счет использования специальных плат микроконтроллеров с возможностью использования языков программирования высокого уровня и даже Linux, Windowsи операционные системы Android.

Количество плат расширения и различных датчиков, видеокамер, выход в интернет по Ethernet, WiFi и Bluetooth дает широкие возможности для построения практически любого решения на этой компонентной базе. Постройку можно выполнить в рамках небольшого бюджета с минимальными временными затратами с использованием больших блоков и готовых библиотек для программирования IoT.

Рассмотрим некоторые из доступных решений для плат микроконтроллеров и микрокомпьютеров, которые в настоящее время достаточно распространены и доступны на различных рынках. Имейте в виду, что микрокомпьютеры используют операционные системы, а микроконтроллеры используют прошивку на C или другом языке, скомпилированном в код процессора.

Что такое микроконтроллер?

Микроконтроллер — это микросхема или плата с микросхемой для решения клиентских частей IoT-проектов. Обычно вы можете программировать микроконтроллеры с помощью языка программирования высокого уровня, такого как C, C++, Python и т. д. Некоторые проекты в IoT проще всего решать на микроконтроллерах. Они поддерживают множество стандартов ввода и вывода, работают с меньшим энергопотреблением и стоят меньше по сравнению с микрокомпьютерами. Недостатком является меньшая вычислительная мощность и отсутствие операционной системы по умолчанию. Наиболее популярными микроконтроллерами являются Atmel, STM, ESP (или, например, платы Arduino), ESP8266, ESP32 и др.

Что такое микрокомпьютер?

Микрокомпьютер обычно представляет собой систему на кристалле, включающую классическую архитектуру фон Неймана с центральным процессором (процессорами), видеокартой, оперативной памятью, сетями WiFI/Bluetooth и портами ввода-вывода. Современные микрокомпьютеры используют операционные системы, такие как Linux и Windows. Обычно микрокомпьютеры имеют большую вычислительную мощность, чем микроконтроллеры, вывод видео в HDMI, высокоскоростные WiFi и Bluetooth, подключение к картам флэш-памяти и M.2 и т. д. Недостатком микрокомпьютеров является более высокая цена и большее энергопотребление по сравнению с микроконтроллерами. Микрокомпьютеры используются в IoT-проектах, если нужно выполнять задачи высокого уровня, включая потоковое видео, сложные информационные системы, мини-серверы и т. д.

Как выбрать IoT-контроллер для вашего проекта.

Как выбрать правильный набор оборудования для создания вашего решения IoT? Это решение в первую очередь зависит от объема задач, которые предстоит выполнить на стороне клиента.

В любом случае нужно ориентироваться на максимально качественное и дешевое решение для построения клиентской стороны. Сейчас рынок предлагает довольно мощные микропроцессорные платы, которые легко интегрируются даже с протоколами Bluetooth и WiFi плюс HTTP.

Эти решения могут стоить от нескольких долларов за контроллер до 35 долларов (или 50 долларов за версию с 4 Гб памяти) за электронную плату.

ESP8266

Самое доступное и самое интересное решение — ESP8266.

Это миниатюрный WiFi-модуль на базе чипа ESP8266 со встроенным стеком протоколов TCP/IP и командами управления AT. Чип предназначен для использования в умных розетках, ячеистых сетях, IP-камерах, беспроводных датчиках, носимой электронике и так далее.

Этот модуль поддерживает протоколы Wi-Fi 802.11 b/g/n, Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP, SDIO 2.0, SPI, UART, STBC, 1×1 MIMO, 2×1 MIMO с потреблением в режиме ожидания до 1,0 мВт (DTIM3) и имеет размеры 24,5х14 мм.

Рисунок 1. Контроллер ESP8266

Плата успешно работает как Wi-Fi-клиент, может работать как Soft-AP, а на модуле приема и отправки данных можно построить TCP-сервер или TCP-клиент.

Ардуино

Самая популярная DIY-платформа для Интернета вещей.

Существует множество видов плат Arduino, а особым преимуществом является набор различных плат расширения с датчиками, интерфейсами, реле управления и широчайшим набором дополнительных устройств.

Arduino Mega 2560 — одна из лучших плат микроконтроллеров от Arduino, основанная на мощном чипе ATmega2560 (16 МГц). Он имеет 54 цифровых входа/выхода, 14 из которых могут работать в режиме ШИМ, 16 аналоговых входов, 4 аппаратных последовательных порта UART для связи с компьютером и другими устройствами, разъем USB и разъем для внешнего питания.

Рис.2. Контроллер Ардуино

Еще одним преимуществом этого решения является бесплатная среда разработки Arduino IDE, с помощью которой вы можете написать прошивку контроллера на языке C.

Кроме того, он имеет огромное количество штабелируемых плат расширения (GSM, GPS, ПИД-регуляторы, датчики и т. д.).

СТМ

Если вам нужно более мощное решение, чем Arduino, вы можете использовать STM — семейство микроконтроллеров с низким энергопотреблением. Например, плата разработки STM32 Nucleo имеет возможность подключения шилдов от Arduino. Плата выполнена на 32-битном ARM-микроконтроллере STM32F411. Nucleo — это семейство плат, поддерживающих мбед онлайн-среда разработки. К счастью, познакомиться с возможностями среды mbed очень просто.

Рис.3. Контроллер STM32

Эта конкретная плата состоит из ядра контроллера Cortex-M4 100 МГц, 512 КБ памяти программ, 128 КБ памяти данных и встроенного программатора.

ESP32

ESP32 — отличный микроконтроллер с двухъядерным 32-битным процессором, тактовой частотой 160 или 240 МГц и производительностью до 600 DMIPS.

Данный микроконтроллер имеет поддержку двухрежимного Bluetooth: «классический» и BLE, скорость Wi-Fi: 802.11 b/g/n до 150 Мбит/с, поддержка режима Wi-Fi: клиент, точка доступа, Wi-Fi Direct с минимальной чувствительностью составляет -98 дБм, и широкий диапазон рабочих температур: -40°С … +125°С, при этом потребляемая мощность схемы может снижаться до 5мкА (режим глубокого сна).

Mongoose OS — это операционная система для плат микроконтроллеров, программируемая с помощью JavaScript или C. Это рекомендуемая платформа для Espressif Systems, AWS IoT и Google Cloud IoT.

Очень интересное решение на базе ESP32 — это M5Стек платы, которые можно расширять в стеке по одному. Он позволяет создать очень интересное приложение с подключениями GSM/Интернет, дисплеями, блоком питания и т. д. Он работает как платы расширения Arduino, но разработан специально для ESP32.

Asus Tinker Board S (TINKER BOARD S/2G/16G)

ASUS Tinker Board — высокопроизводительный одноплатный компьютер от мирового бренда. Построен на базе мощного 4-ядерного Rockchip RK3288 с ядрами Cortex-A17, имеет графику Mali-T764. Tinker Board оснащен 2 ГБ оперативной памяти LPDDR3, Gigabit Ethernet, встроенным WiFi и Bluetooth 4.0. Плата поддерживает аппаратное ускорение при воспроизведении видео в форматах H.264 и H.265, а также имеет аудиокодек HD Audio с поддержкой форматов до 192 кГц/24 бит.

Благодаря своим превосходным характеристикам ASUS Tinker Board способен решить множество задач: стать высококлассным медиацентром, игровой машиной, домашним сервером, а также незаменимым миниатюрным помощником в промышленных и развлекательных приложениях.

Рис. 4. Плата Asus Thinker

Raspberry Pi

Raspberry Pi 3 Model B+ — это микрокомпьютер от Raspberry Pi Foundation, который работает на базе обновленной 4-ядерной 64-битной SoC Broadcom BCM2837B0 и повышенной тактовой частоты до 1,4 ГГц. Беспроводной модуль также получил обновления: Wi-Fi стал двухдиапазонным стандартом IEEE 802.11ac, а Bluetooth 4.2 BLE. В новой «малинке» есть гигабитный Ethernet, работающий через шину USB 2.0, что обеспечит скорость передачи данных до 300 Мбит/с. Первые сохранили объем оперативной памяти — 1 ГБ ОЗУ, форм-фактор и расположение всех портов, что обеспечивает совместимость с большинством существующих аксессуаров. Raspberry Pi 3 Model B+, как и его предшественники, отличается высоким уровнем надежности, простотой настройки, огромным сообществом и высочайшим качеством исполнения.

Компьютер размером с кредитную карту стал еще меньше в версии Raspberry Pi Zero V1.3 и по-прежнему является той платой, которую вы знаете и любите, но с уменьшенными размерами до 65 мм в длину и 30 мм в ширину и по очень привлекательной цене. Raspberry Pi Zero идеально подходит для создания встроенных онлайн-проектов Things (IoT). На плате Pi Zero V1.3 компактно размещены основные мини-разъемы и не распаянные контакты GPIO, что позволяет использовать только то, что требуется вашему проекту. В обновленной версии (1.3) добавлен разъем CSI для подключения Пи-видеокамер

Но это еще не все.

Недавно вышла микрокомпьютерная плата Raspberry Pi 4 с питанием USB-C, 4 ГБ памяти, возможностью подключения дисков M.2, мощным процессором, двумя micro HDMI, выводом изображения на два монитора 4K, двумя USB 3 и Гигабитный Ethernet.

Версия с 1 Гб памяти стоит 35 долларов, а версия с 4 Гб памяти — 55 долларов.

Источник изображения.

Рис. 5. Raspberry Pi 4, величайший микрокомпьютер всех времен

Это фантастическая возможность использовать Linux, Android или другую операционную систему и заменить настольный компьютер или медиацентр.

Заключение

Даже при использовании небольших контроллеров и минимальных знаний о программировании и использовании электронных устройств теперь можно создавать самые интересные и самые полезные проекты для Интернета вещей дома. Если вам нужно выбрать между микрокомпьютером и микроконтроллером, ключевое значение имеет цена платы. Затем рассмотрите мощность системы и доступные операционные системы, если вы планируете перейти на микрокомпьютеры.

Вам не нужно писать сотни тысяч строк кода, много часов работать с паяльником, согласовывать интерфейсы связи или писать серверные решения для подключения IoT-устройств, потому что поддержка сообщества и открытый код для микроконтроллеров и микрокомпьютеров сейчас широко распространены. В принципе, легко быстро освоиться с конструкцией этих устройств в Интернете вещей и успешно их использовать, как для индивидуальных нужд, так и для малого и среднего бизнеса. Часто с бюджетом менее $10 или $55. .