物聯(lián)網(wǎng)原型開發(fā)，如何能夠“快”起來？

根據(jù)IDC的數(shù)據(jù)，2021年全球物聯(lián)網(wǎng)支出規(guī)模達6,902.6億美元，并有望在2026年達到1.1萬億美元，2022年至2026年的年復(fù)合增長率（CAGR）為10.7%。同時，IoT AnaIytics的研究報告也顯示，2020年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)達113億，首次超過非物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)，預(yù)計2025年將達到270億，復(fù)合增長率更是高達22%！在可以預(yù)見的未來，物聯(lián)網(wǎng)中蘊藏著巨大的商機，這已是不爭的事實。

不過，如果將物聯(lián)網(wǎng)市場視為一座“寶礦”，想要將這些礦藏挖出來，并讓其價值變現(xiàn)，也并非易事?，F(xiàn)實的情況往往是，應(yīng)用需求層出不窮，開發(fā)者的“產(chǎn)能”卻總是捉襟見肘，補不上供需之間的差距。

個中緣由很多，而其中有一條很關(guān)鍵：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求“碎片化”特征十分突出，也就是說不同應(yīng)用之間往往是個性大于共性。這就要求開發(fā)者一方面具備捕捉差異化的洞察力，以及實現(xiàn)這種差異化的想象力；另一方面也迫切需要給力的原型開發(fā)平臺，讓他們的設(shè)計創(chuàng)意快速得以實現(xiàn)和驗證。

而以往，在物聯(lián)網(wǎng)原型開發(fā)平臺的選擇上，開發(fā)者難免糾結(jié)。這是因為面對碎片化的需求，他們很難找到一款能夠覆蓋廣泛性設(shè)計要求的開發(fā)套件。比如你選擇了某款具備溫濕度傳感器功能的原型開發(fā)套件，可以滿足當下智能空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計要求，但是如果你進一步想將PM2.5、VOC等更多空氣質(zhì)量傳感器整合到新的設(shè)計方案中，原有的原型工具就不再適用了。

因此，物聯(lián)網(wǎng)原型工具的可擴展性越來越成為一個關(guān)鍵的特性。為此，不少原型工具會設(shè)計成“MCU主板+擴展卡”的架構(gòu)，通過添加子擴展卡來實現(xiàn)新的功能。

但擴展性的增強，也會帶來新的挑戰(zhàn)：不同硬件板卡相互整合時的兼容性問題可能會成為設(shè)計隱患，而且軟件工具是否能夠支持這樣的擴展也是一個問題。而上述任何硬件或軟件上的溝溝坎坎，都會延長研發(fā)周期。

想要規(guī)避這些“拖后腿”的風險因素，讓物聯(lián)網(wǎng)原型“快”起來，就要有一些新辦法。

快速物聯(lián)網(wǎng)原型平臺

Renesas Electronics快速接入式物聯(lián)網(wǎng)（Quick-Connect IoT）原型開發(fā)平臺就是為了解決這個痛點而生的，它的出現(xiàn)確實讓人眼前一亮。

快速接入式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計思路就是，通過提供相互兼容的、標準化的硬件和軟件構(gòu)建模塊，讓開發(fā)者能夠像搭積木一樣快速將開發(fā)所需的MCU主板、傳感器和通信模塊整合在一起，搭建起硬件平臺；同時，該系統(tǒng)還提供可在板卡之間移植的核心軟件構(gòu)件，大大降低了編碼要求。這樣一來，整個原型開發(fā)就“快”起來了。

圖1：Renesas Electronics快速接入式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

（圖源：Renesas Electronics）

為了將平臺中各個模塊化的要素整合在一起，RenesasElectronics提供了一硬一軟兩種關(guān)鍵的“粘合劑”。

其中，硬件粘合劑就是指：支持快速接入式物聯(lián)網(wǎng)的每塊MCU板上都帶有雙Pmod連接器，分別用于連接傳感器和通信模塊；而且這些外接的擴展模塊也可通過Pmod結(jié)構(gòu)進行級聯(lián)，以實現(xiàn)更大的可擴展性。

特別值得一提的是，RenesasElectronics與Digilent合作為快速接入式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)了全新Pmod 6A型（擴展I²C）接口，該接口除了可以向后兼容標準的Pmod 6A接口，特別擴展了對SPI和UART接口的支持，符合I²C規(guī)范，具有可選的中斷和復(fù)位引腳，以及可選的控制信號。此外，6A型還可通過Digilent提供的簡單電纜細分為6型和1型（GPIO）。這些優(yōu)化顯然有利于為更廣范的應(yīng)用開發(fā)提供更大的靈活性。

在軟件方面，RenesasElectronics為各種傳感器重新定義了通用軟件應(yīng)用程序接口（API）和硬件抽象層（HAL）代碼，并嵌入至RenesasElectronicse² studio集成開發(fā)環(huán)境中。這實際上是從軟件層面盡可能避免原型開發(fā)系統(tǒng)在功能擴展時可能會遇到的問題，設(shè)計人員無需編寫和測試驅(qū)動程序代碼，僅需以圖形方式選擇他們的傳感器并編寫數(shù)行代碼即可，所有集成與設(shè)置工作均在后臺進行，大大縮短了開發(fā)時間。

不難看出，快速接入式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的推出恰好瞄準了物聯(lián)網(wǎng)原型開發(fā)的痛點——開發(fā)者所需要的不僅是性能出色的MCU、傳感器、無線通信模塊和軟件，而是一個可以整合各種設(shè)計軟硬件資源，且能夠根據(jù)設(shè)計需要靈活擴展的開發(fā)平臺。快速接入式物聯(lián)網(wǎng)顯然為這一目標的實現(xiàn)提供了一個理想的系統(tǒng)框架。

圖2：基于快速接入式物聯(lián)網(wǎng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

（圖源：Renesas Electronics）

豐富的設(shè)計生態(tài)資源

當然，有了這樣的系統(tǒng)框架，想要盡可能地滿足碎片化、多樣性物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用原型開發(fā)的需求，還需要不斷豐富與快速接入式物聯(lián)網(wǎng)配套的各種MCU主板和擴展模塊。這也一直是Renesas重要的著力點。

在MCU主板方面，目前RenesasElectronics的RA、RX和RL78產(chǎn)品家族有超過25款的MCU開發(fā)板及套件，可直接或通過專門的小型轉(zhuǎn)接板與新型Pmod 6A型標準相兼容。也就是說，這些開發(fā)板都可以成為快速接入式物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的一部分，使用到這一原型平臺豐富的傳感器和通信模塊資源。按照RenesasElectronics的規(guī)劃，在不久的將來快速接入式物聯(lián)網(wǎng)還會支持RE和RZ開發(fā)板。

圖2中的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，使用的就是一塊RA系列的開發(fā)板EK-RA2L1?？梢钥吹?，RA系列微控制器開發(fā)板中集成了基于Arm Cortex-M內(nèi)核的微控制器、USB和JTAG調(diào)試接口、Pmod連接器，以及按鈕、電位器和觸摸傳感器等HMI控件，板載硬件資源十分豐富。

圖3：EK-RA2L1開發(fā)板

（圖源：Renesas Electronics）

同時在配套的開發(fā)軟件方面，設(shè)計人員可以借助RenesasElectronics的e² Studio集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和E2仿真器，實現(xiàn)開箱即用的編碼、調(diào)試和評估體驗。而且，RA靈活軟件包（FSP），也為開發(fā)者提供一種快速、通用的開發(fā)方式，使其能夠利用量產(chǎn)級驅(qū)動程序、Azure RTOS、FreeRTOS和其他中間件協(xié)議棧，快速構(gòu)建安全、互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

圖4：FSP靈活軟件包

（圖源：Renesas Electronics）

在傳感器模塊方面，快速接入式物聯(lián)網(wǎng)包含多種Pmod模塊化板卡，方便在原型開發(fā)中接入空氣質(zhì)量傳感器、流量傳感器、生物感測、飛行時間、溫度或其它傳感元件。

以下面這款US082-OB1203EVZ傳感器Pmod板為例，其可以支持在原型設(shè)計中集成OB1203多通道光傳感器（LS/CS）、接近傳感器（PS）和光電容積脈搏波法傳感器（PPG）等多種光電傳感器。該傳感器板兩側(cè)設(shè)有兩個Pmod連接器，一個可通過Pmod 6A型接口與MCU主板相連，另一個則可支持以菊花鏈的方式連接額外的Pmod 6/6A型傳感器板，以便在同一原型方案中接入更多類型的傳感器。

圖5：US082-OB1203EVZ傳感器Pmod板

（圖源：Renesas Electronics）

我們再來看看快速接入式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中另一個不可或缺的模塊化組件——通信模塊，在這個方面RenesasElectronics為開發(fā)者提供了多種無線互連擴展板。特別是隨著RenesasElectronics完成對Dialog Semiconductor的收購，后者在低功耗無線互連領(lǐng)域的優(yōu)勢也被整合到了快速接入式物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中。

US159 Pmod擴展板就是其中代表性的產(chǎn)品，其包括三個類型的通信擴展板：

• US159-DA14531EVZ：低功耗藍牙（BLE）Pmod模塊，這是一款結(jié)構(gòu)緊湊的BLE 5.0無線連接方案。

• US159-DA16200EVZ：超低功耗Wi-Fi Pmod模塊，適用于長期運行型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可經(jīng)濟高效地為其增加Wi-Fi功能。

• US159-DA16600EVZ：高度集成的超低功耗Wi-Fi + BLE組合Pmod模塊，對于同時需要WLAN和WPAN連接的原型十分適用。

這就意味著，開發(fā)者可以隨心所欲地根據(jù)最終應(yīng)用挑選合適的無線通信組件，以更快捷的方式搭建起設(shè)計原型。

圖6：US159-DA14531EVZ低功耗藍牙Pmod模塊

（圖源：Renesas Electronics）

圖7：US159-DA16200EVZ超低功耗Wi-Fi Pmod模塊

（圖源：Renesas Electronics）

圖8：US159-DA16600EVZ高度集成的Wi-Fi + BLE組合Pmod模塊

（圖源：Renesas Electronics）

本文小結(jié)

“天下武功唯快不破”，這一耳熟能詳?shù)摹拔淞置伢拧痹谖锫?lián)網(wǎng)開發(fā)上同樣適用。這是因為，面對海量同時又是碎片化的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，能夠最先將設(shè)計創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品和方案的開發(fā)者，往往能夠占得先機，獲得市場的認可。

快速接入式物聯(lián)網(wǎng)這樣的原型開發(fā)平臺，恰恰可以為這些物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)加速，模塊化的架構(gòu)、豐富的設(shè)計生態(tài)資源，使其在帶來靈活性的同時，也最大限度地簡化了系統(tǒng)集成工作，讓物聯(lián)網(wǎng)原型開發(fā)真正“快”起來！

想要獲取快速接入式物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)資源，也成為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)中的“快手”，往這兒瞧——

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