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IoT-Module von Microchip

2020-11-09

IoT-Module von Microchip

Seit einigen Jahren ist IoT (Internet of Things, Internet der Dinge) eine der beliebtesten Phrasen in der Elektronikindustrie. Im Folgenden stellen wir kompakte Module vor, die die Produktion und das Prototyping von IoT-Geräten erleichtern und beschleunigen. Hierbei handelt es sich um von Microchip erstellte Sets, die über Bluetooth oder in WLAN-Netzwerken kommunizieren und für die Arbeit mit Amazon Web Services oder Google Cloud bereit sind.

Nicht nur in der Industrie, sondern auch im Alltag beobachten wir eine immens wachsende Zahl von Geräten, deren Funktion eine permanente oder regelmäßige Internetverbindung erfordert, zumindest zu einem lokalen Heim- oder Unternehmensnetzwerk. Wir nutzen diese Konnektivität auf fast jedem Schritt: vom Betrieb von Fernsehgeräten mit einem Smartphone bis zur umfassenden Fabrikautomation.

Durch die Kommunikation mit und zwischen allen im System arbeitenden Systemen können Sie die Steuerung zentralisieren (wie im Fall einer Produktionslinie oder eines Smart Homes), aber auch eine große Datenmenge herunterladen und senden. Daten werden von verschiedenen Sensoren gewonnen, üblicherweise mittels Mikrocontrollern, deren Rechenleistung keine umfassende Analyse von Informationen ermöglicht (ganz zu schweigen davon, dass sie für den Benutzer zugänglich sind). Ein lokaler Server kann bei der Datenverarbeitung hilfreich sein. Die Installations- und Wartungskosten stehen jedoch häufig in keinem Verhältnis zu den Vorteilen. Daher entscheiden sich Konstrukteure am häufigsten für Dienste, die von externen Unternehmen wie Amazon oder Google angeboten werden, dh für die Speicherung und Verarbeitung von Daten "in der Cloud".

Hier kommt eine weitere Herausforderung, der sich jede IoT-Hardware stellen muss: Sicherheit. Leider ist ein zu stark vereinfachtes Gerät eine Schwachstelle in der Infrastruktur eines Heim- oder Geschäftsnetzwerks. Darüber hinaus bietet es keinen angemessenen Datenschutz. Es besteht keine Notwendigkeit, jemanden an die tragischen Folgen des Mangels an angemessener Sicherheit zu erinnern, insbesondere bei mit dem Internet verbundenen Netzwerken.

IoT-Module von Microchip

32-Bit-Mikrocontroller werden häufig zum Erstellen von IoT-Geräten verwendet. Sie verfügen über die entsprechende Rechenleistung und sind für Netzwerkanwendungen konzipiert. Ihre Ressourcen ermöglichen die Platzierung umfassender Software, die für die Handhabung der Benutzeranwendung, die Handhabung des Standards für die drahtlose Übertragung und die Gewährleistung eines angemessenen Sicherheitsniveaus der zwischen dem Gerät und der Cloud ausgetauschten Daten (Authentifizierung und Kryptografie) verantwortlich ist. Andererseits ist die Notwendigkeit, solch umfangreiche Software zu erstellen, auch ein Nachteil. Die Entwicklung einer solchen Lösung ist zeitaufwändig und erfordert Kenntnisse der Architektur des verwendeten Systems sowie fortgeschrittene Kenntnisse der Bibliotheken für den Umgang mit dem TCP/IP-Stack und Protokollen wie MQTT oder einem kompatiblen Betriebssystem. Darüber hinaus müssen wir die Implementierung von Sicherheitslösungen im Bereich der übertragenen Informationen und die mögliche Aktualisierung der Firmware unseres Geräts berücksichtigen. In vielen Fällen kann es vorkommen, dass die Verwendung eines 32-Bit-Mikroprozessors das Design unnötig kompliziert macht. Insbesondere, wenn wir eine funktional einfache Anwendung entwerfen (z. B. Daten von Umgebungssensoren lesen und auf deren Änderung auf der Grundlage von Anweisungen reagieren, die vom Management Center über die Cloud kommen).

Aus diesem Grund bietet Microchip über TME kompakte IoT-Module an, die je nach Bedarf und Vorlieben mit 8- und 16-Bit-Mikrocontrollern ausgestattet sind - AVR oder PIC.

Die einzelnen SMART/CONNECTED/SECURE-Funktionen werden durch dedizierte Blöcke (Mikrocontroller / Kommunikationsmodul / Autorisierungssystem) implementiert.

Die wichtigsten Daten zu den sechs im TME-Angebot verfügbaren Modulen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Ihre grundlegende Unterteilung ist die Unterscheidung zwischen Mikrocontrollern AVR undi PIC. In jeder dieser Gruppen können unsere Kunden eines von drei Modellen auswählen: ein Energiesparmodul, das an die Bluetooth-Kommunikation angepasst ist; WLAN-Modul für Amazon Web Services (AWS); oder ein WLAN-Modul für den Google Cloud-Dienst.Alle Boards sind mit einem Debugger ausgestattet, der die Zusammenarbeit mit der IDE erleichtert und die Prototyping-Phase beschleunigt. Dank dieser Funktion und der Kommunikation über den USB-Anschluss läuft die Programmierung des Moduls in der Microchip MPLAB® X IDE-Umgebung reibungslos ab. Das Modul wird von der Software automatisch erkannt, LEDs zeigen den aktuellen Status des Geräts an und der Benutzer verfügt über einen virtuellen COM-Port und einen Kanal von einem Logikanalysator (GDI GPIO). Darüber hinaus bleiben Produkte, die auf AVR-Mikrocontrollern basieren, mit den beliebten Umgebungen Atmel Studio und Atmel Start kompatibel.

Es ist erwähnenswert, dass Bluetooth-Module dank der eXtreme Low Power (XLP) -Technologie mit einer CR2032-Batterie („Knopfzelle“) betrieben werden können. Die übrigen Modelle sind mit einem Laderegler und einem Anschluss zum Anschließen einer Lithium-Ionen- (Li-Ion) oder Lithium-Polymer- (Li-Pol) Zelle ausgestattet.

Model Mikrocontroller Kommunikation anwendungsspezifisch
AVR-BLE ATmega3208 Bluetooth n/d
AVR-IOT-WA ATmega4808 WLAN Amazon Web Services
AVR-IOT ATmega4808 WLAN Google Cloud
PIC-BLE PIC16LF18456 Bluetooth n/d
PIC-IOT-WA PIC24FJ128GA705 WLAN Amazon Web Services
PIC-IOT PIC24FJ128GA705 WLAN Google Cloud

In jedem Modul sind zusätzliche Komponenten auf der Leiterplatte installiert. Je nach Modell können dies sein: GPIO-Anschluss für direkten Zugriff auf die Mikrocontrollerfunktionen, physische Tasten, zusätzliche LEDs, Lichtsensor (TEMT6000, nur Wi-Fi-Versionen), Temperatursensor (MCP9808 oder MCP9844) oder Beschleunigungsmesser (BMA253, nur Bluetooth-Versionen).

Konnektivität und Sicherheit

Die WLAN-Kommunikation wurde mit dem von Microchip hergestellten Modul ATWINC1510 erreicht. Es arbeitet im 2,4-GHz-Band (b/g/n), unterstützt TCP/IP in der IPv4-Version und ist mit Netzwerken kompatibel, die über die Protokolle WPA/WPA2, TLS und SSL verschlüsselt sind. Für die Bluetooth-Kommunikation bestimmte Elemente sind mit einem Modul RN4870 ausgestattet. Es ist eine bewährte, proprietäre Lösung von Microchip. Es ermöglicht die Kommunikation im Bluetooth 5-Standard und wird über Befehle gesteuert, die über die UART-Schnittstelle gesendet werden. Beide Kommunikationsmodule (und damit alle vorgestellten Produkte) sind für die Arbeit in Schlüsselregionen der Welt zertifiziert: Nordamerika, Europa, Japan, Korea, Taiwan und auch in China .

Die von Modulen von Microchip gesendete Daten werden durch die Verwendung eines Verschlüsselungs-Coprozessors ATECC608A zusätzlich gesichert. Es ist ein System, das die ECC-Technik (Elliptic Curve Cryptography) verwendet. Da die Authentifizierung (Verschlüsselung) in einem dedizierten System erfolgt, ist sie schnell und zuverlässig und gewährleistet eine hohe Informationssicherheit. Diese Geräte sind bereits bei AWS oder Google Cloud vorregistriert, was dem Benutzer zusätzliche Zeit spart.

Mikrocontroller

Bei Modulen, deren Herz AVR-Mikrocontroller sind, ist eines der beiden Systeme installiert: das ATmega3208 oder das ATmega4808. Dies sind verwandte 8-Bit-Konstruktionen, die sich im Programmspeicher (jeweils 32 KB und 48 KB) und den Betriebsspeicher (4 KB und 8 KB) unterscheiden. Sie können mit einer Frequenz von 20 MHz arbeiten. Mikrocontroller sind mit 4 Timern mit 16-Bit-Frequenzteilern ausgestattet. Dem Benutzer stehen außerdem 12 Kanäle eines A/C-Wandlers zur Verfügung. Die Systeme können mit den Peripheriegeräten über die Protokolle SPI I2C und USART kommunizieren.

Eine fortschrittlichere Lösung ist der Mikrocontroller PIC16LF18456, der in den PIC-BLE-Modulen enthalten ist. Es wurde unter Berücksichtigung der Energieeffizienz (eXtreme Low-Power-Technologie) entwickelt und arbeitet mit zahlreichen Sensoren. Es verfügt über einen 12-Bit-24-Kanal-Analog-Digital-Wandler mit Konvertierungsfunktion (ADC2). Es kann unabhängig vom Kern arbeiten und den Kern aus dem Schlafzustand wecken – dadurch wird Energie gespart. Das System enthält außerdem Platz für zwei Komparatoren, zwei 10-Bit-PWM-Generatoren, vier 8-Bit- und vier 16-Bit-Zähler sowie einen 5-Bit-D/A-Wandler.

In den PIC-IoT-Modulen werden Mikrocontroller PIC24FJ128GA705 verwendet. Dies sind 16-Bit-Chips, die bis zu einer Frequenz von 32 MHz funktionieren. Sie wurden für mobile Anwendungen (mit Batterien betrieben) entwickelt. Wie im Fall von PIC16LF18456 verwenden sie die CIP-Technologie, d.h. Peripheriegeräte, die vom Kern unabhängig sind, was weitere Energieeinsparungen ermöglicht. Auf Basis eines Mikrocontrollers können Sie eine Touch-Tastatur in kapazitiver Technologie bauen. Es hat auch eine eingebaute Echtzeituhr und 3 analoge Komparatoren. Mit den in den PIC-IoT-Modulen enthaltenen Komponenten ist dieser Chip ein einfach zu programmierendes und dennoch leistungsstarkes Tool, mit dem fortschrittliche IoT-Geräte erstellt werden können.

Das folgende Video zeigt eine einfache Anwendung, die die Grundfunktionalität von Modulen von Microchip nutzt, die mit einem PIC-Mikrocontroller ausgestattet sind. Das System ist mit dem Google Nest-Dienst verbunden. Nach Erhalt des Anrufs werden Informationen über das Wetter am angegebenen Standort gesammelt. Mit Hilfe einer der Click-Platten von Mikroelektronika (in diesem Fall eines Schrittmotortreibers) setzt das Modul den Zeiger so, dass das Symbol der aktuellen Wetterbedingungen auf dem Zifferblatt an dem vom Benutzer gewünschten Ort angezeigt wird.

An dieser Stelle ist anzumerken, dass jedes der vorgestellten Produkte von Microchip mit Click-Modulen von Mikroelektronika arbeiten kann. Wir haben Hunderte von Artikeln dieses Herstellers in unserem Katalog und laden Sie ein, sich mit diesem Angebot vertraut zu machen.

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