Подробнее о сенсорных узлах «Интернета вещей»
Блок–диаграмма

Интернет вещей (ИВ или IoT) описывает взаимосвязанные встраиваемые системы. Это понятие объединяет две развивающиеся технологии: беспроводную связь и интеллектуальные датчики. В сочетании с последними достижениями в области микроконтроллеров малой мощности эти новые «вещи» в настоящее время подключаются к Интернету легко и с малыми затратами, положив начало второй промышленной революции.

Такие связанные встроенные системы представляют собой компьютеры на базе микроконтроллеров, которые не требуют интерфейса с человеком. Вместо взаимодействия с человеком эти системы используют датчики или иные продвинутые детекторные механизмы. Эти системы датчиков собирают данные, которые представляют ценность, и являются в свою очередь частью более крупной системы.

Затем эти данные объединяются в сеть, как часть еще более крупной системы. Хотя термин «Интернет вещей» подразумевает, что эти датчики объединены в сеть с помощью всемирной сети Интернет с помощью Wi-Fi или Ethernet, сетевое соединение также может быть выполнено с помощью не использующих IP-адреса протоколов, таких как ZigBee или Bluetooth. Сетевой протокол выбирается исходя из знания распределения в пространстве узлов и объема данных, которые должны собираться.

Собираемые данные передаются по сети к главному концентратору или компьютеру. Этот главный компьютер собирает и анализирует данные, хранит их в памяти и даже реализует алгоритмы принятия решений, основанные на результатах анализа.

Наиболее важным критерием, используемым при выборе типа подключения для узла ИВ, является то, что ценность собираемых данных должна оправдывать уровень потребляемого тока, причем часто самый высокий ток в узле ИВ потребляет радиоканал. Иными словами, нет необходимости использовать беспроводное соединение 43Mbps, если система должна передавать только 32 байта данных от датчиков каждые две минуты.

Для сетевых распределенных встраиваемых систем допускается использование различных протоколов:

• Wi-Fi: Потребляет наибольшую мощность. Используется при высокой скорости и больших объемах передачи данных. Рекомендуется для потоковых приложений, таких как камеры безопасности, а также систем, где Wi-Fi уже используется и поэтому обеспечена легкость подключения.

»Компоненты для WiFi

• Bluetooth: Имеет смысл использовать при малой мощности для сетей с короткими расстояниями.

»Компоненты для Bluetooth

• стандарт 802.15.4: Используется для низкой скорости передачи данных в сетях с батарейным питанием, распределенных по обширной территории. Поддерживается в

»Компоненты для стандарта 802.15.4

• Пользовательские протоколы: Многие сетевые системы, которые требуют повышенного уровня безопасности, используют пользовательские беспроводные протоколы. Системы, использующие пользовательские протоколы, включают в себя системы для «умных» городов и военных операций.

»Компоненты для пользовательских протоколов беспроводного подключения

• Шлюзы: В контексте ИВ шлюз объединяет сеть устройств без подключения к Интернету в Интернет. Шлюз ИВ может иметь ряд стандартных интерфейсов, таких как I2C, SPI и параллельных шин. Шлюз ИВ специально запрограммирован для обмена данными со специфическими устройствами, подключенными к этим интерфейсам, которые затем могут быть переданы по TCP/IP через Интернет.

Данные собираются в узле ИВ от различных датчиков. Тип и точность датчика зависят от значений собираемых данных и объема данных, подлежащих обработке.

Во многих системах ИВ имеются датчики отслеживания состояния окружающей среды для измерения показателей движения, положения, ускорения, давления, температуры, влажности и т.п. Оптические датчики могут обнаруживать наличие света в различных диапазонах длины волны, в том числе, инфракрасной области спектра. Датчики видео, включая ПЗС и КМОП-датчики света, используются там, где требуется видеонаблюдение, например, в автоматизированных системах управления дорожным движением. Некоторые системы могут обеспечивать сигнал, который подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) или на аналоговый вход.

Умные датчики обладают функцией обработки данных. Такие датчики могут применяться везде, начиная с экологических датчиков с функциями базовой обработки данных до датчиков микроэлектромеханических систем высокой точности с гироскопом и акселерометром со встроенной цифровой обработкой для гибридных вычислений.

»Компоненты умных датчиков

»RFID / NFC Компоненты

»Оптические датчики

»Видеодатчики

»Компоненты экологических датчиков и датчиков движения

Обычно ИВ подразумевает высокую интеграцию компонентов в системах при низком потреблении энергии. Поскольку ценность собранных данных должна оправдывать необходимую для системы величину тока, выбор микроконтроллера становится важным не только с точки зрения обеспечиваемой вычислительной мощности, но и уровня

интеграции на чипе. Уровень интеграции для микроконтроллеров увеличился, а потребление электроэнергии сократилось, что оказалось очень своевременным для реализации ИВ.

Хотя даже 8-разрядный микроконтроллер может использоваться для простых узлов с небольшим потоком данных и низкой пропускной способностью, большинство приложений ИВ применяют 16 или 32-разрядные микроконтроллеры. 16-битные микроконтроллеры используются для базовых узлов низкой и средней сложности, где данные не является частью системы режима реального времени. Преимущество 16-битной обработки в том, что она может быть лучшим компромиссом при малых мощности вычислений и скорости передачи данных. Тем не менее, наиболее распространенной шиной данных для узлов ИВ является 32-битная в случаях, когда производительность имеет большое значение и требуется высокий уровень интеграции. Некоторые 32-разрядные микроконтроллеры даже имеют сенсорные интерфейсы и интегрированный на кристалле РЧ канал, что идеально подходит для узлов ИВ.

Критическое значение для современных узлов ИВ представляет требование по безопасности. Большинство современных 32-разрядных процессоров имеют средства шифрования, наиболее распространенными из которых являются AES256. Повышенный уровень безопасности помогает процессору выполнять безопасную загрузку, гарантируя, что ядро ​​микропроцессора исполняет именно ту программу, что задана. Шифрование также используется для кодирования данных, передаваемых по сети, гарантируя, что они будут доступны только системам, авторизованным для обработки этих данных.

»Микроконтроллеры для ИВ

Регулятор напряжения, как правило, расположен на плате или встроен в микроконтроллер, обеспечивая регулируемый ток в системе. Более сложные системы с процессорами высокой частоты могут иметь отдельный чип управления питанием, тогда как для систем малой мощности с питанием от батарей могут потребоваться преобразователи DC / DC или чип управления подзаряжаемыми батареями.

»Регуляторы с малым изменением напряжения

»DC / DC преобразователи

»Управление питанием

»Компоненты управления аккумуляторной батареей

Все собранные данные должны быть сохранены где-нибудь. Многие простые узлы ИВ используют память микроконтроллера, но более сложные узлы могут потребовать дополнительной флэш-памяти, установленной на плате, или памяти в виде модулей, вставленных в слоты расширения. Еще более сложные системы могут потребовать значительных ресурсов и иметь дополнительную оперативную память на плате. И, наконец, есть облачные решения, когда данные могут быть загружены, сохранены и даже обработанные в облаке, а затем переданы обратно в систему ИВ.

В то время, как многие узлы ИВ могут использовать флэш-память микроконтроллера, некоторые системы все же требуют дополнительной памяти для исполнения программ

или хранения данных. Эти системы могут использовать флэш-память на печатной плате.

»Компоненты флэш-памяти

Хотя многим узлам ИВ будет достаточно оперативной памяти микроконтроллера для выполнения своих функций, некоторым высокопроизводительным системам может потребоваться дополнительная оперативная память. Для высокопроизводительных узлов оперативная память может быть использована для хранения программ, в нее может загружаться программный код при начальной загрузке, что позволяет системе выполнять программный код из оперативной памяти намного быстрее, чем из флэш-памяти за счет сокращения состояний ожидания процессора.

»Компоненты оперативной памяти

Некоторые узлы ИВ могут потребовать использования съемных модулей памяти для средств безопасности или хранения программ.

»Модули памяти

Большинство систем ИВ будет передавать данные в облачное хранилище только из основной хост-системы. Тем не менее, некоторые узлы ИВ могут напрямую загружать данные в облачное хранилище или даже получить оттуда свой программный код.

»Макетные платы для облачного хранилища