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IoT-Hardware umfasst eine Vielzahl von Geräten wie Sensoren, Brücken, und Routing-Geräte. Diese IoT-Geräte erfüllen kritische Funktionen bei der Verwaltung wesentlicher Aufgaben wie der Aktivierung des Systems, Kommunikation, Handlungsvorgaben, Sicherheit, und Erkennen detaillierter Aktionen und Ziele. Unten, Sie lernen die bei MOKOSmart verfügbaren IoT-Hardwaregeräte kennen, die die IoT-Technologie verwenden, die IoT-Hardware-Bausteine, die Architektur von IoT-Software, und die gängigen IoT-Hardwareplattformen. Außerdem, Wir werden die wesentlichen IoT-Hardwareanforderungen besprechen, die für die Bereitstellung eines IoT-Projekts erforderlich sind, und alles über Mikrocontroller-Entwicklungsboards, Einplatinencomputer, und Prozessoren.
Die IoT-Hardware-Bausteine
In diesem Abschnitt, wir werden einige Bausteine der IoT-Hardware besprechen.
Sache
Im IoT, „Ding“ steht für den zu messenden Vermögenswert, Monitor, oder kontrollieren. Die meisten IoT-Produkte integrieren ihre intelligenten Geräte vollständig in das „Ding“. Beispielsweise, Produkte wie Automatikfahrzeuge und smarte Kühlschränke überwachen und steuern sich selbst gründlich.
In einigen anderen Anwendungen, bei denen „das Ding“ als alleiniges Gerät verwendet wird, ein bestimmtes Produkt muss verknüpft werden, um zu bescheinigen, dass es über intelligente Fähigkeiten verfügt.
Datenerfassungsmodul
Diese IoT-Hardwarekomponente konzentriert sich darauf, physische Signale von dem überwachten oder beobachteten Ding zu erhalten. Es wandelt sie später in digitale Signale um, die ein Computer leicht interpretieren oder manipulieren kann. Alle Sensoren, die dabei helfen, reale Signale wie Druck zu erhalten, Dichte, Temperatur, Licht, Vibration, und Bewegung sind in dieser IoT-Hardwarekomponente enthalten. Die Anwendung bestimmt die Anzahl und Art der benötigten Sensoren.
Ebenfalls, Das Datenerfassungsmodul umfasst die erforderliche Hardware, die für die Umwandlung der Signale des eingehenden Sensors in die vom Computer verwendeten digitalen Daten erforderlich ist. Dies beinhaltet eine eingehende Signalgewöhnung, Interpretation, Analog-Digital-Wandlung, Skalierung, und Geräuschminimierung.
Datenverarbeitungsmodul
Es umfasst die kritische Einheit zur Verarbeitung von Daten, die Operationen wie die lokale Datenspeicherung ausführt, lokale Analysen, und andere Rechenoperationen.
Kommunikationsmodul
Dieses Modul ermöglicht eine effektive Kommunikation zwischen der Cloud-Plattform und Systemen von Drittanbietern entweder in der Cloud oder lokal.
IoT-Hardwaresensoren
Sensoren sind das kritischste Element der IoT-Hardware. IoT-Sensoren umfassen mehrere Module wie Power-Management-Module, HF-Module, Sensormodule, und Energiemodule. Sie sind ideal für die Anwendung in;
- Nähe
- Optisches Umgebungslicht
- Leckagen erkennen
- Temperatur und Luftfeuchtigkeit messen
- Elektromagnetismus
- Beschleunigung
- Akustik und Vibration
- Identifizierung chemischer Gase
- Verschiebung
- Zwangsdruck
Sensoren
IoT-Daten können ohne Sensoren nicht existieren. Alle IoT-Sensoren erzeugen analoge elektrische Signale, die proportional zu einem physischen Gut sind. Sensoren verwenden ADCs (Analog-Digital-Wandler) diese analogen Signale in digitale Daten umzuwandeln. Ebenfalls, einfache elektrische Eigenschaften wie Strom, Induktivität, Stromspannung, Widerstand, und Impedanz können mit Sensoren gemessen werden.
Außerdem, Richtung und Stärke magnetischer und elektrischer Felder können mit Sensoren gemessen werden.
Nichtelektrische Eigenschaften, die von Sensoren gemessen werden, verwenden einen Wandler, um physikalische Eigenschaften in analoge elektrische Signale umzuwandeln.
Die häufigsten physikalischen Eigenschaften sind;
- 3-D-Parameter wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Verschiebung, und Vibration.
- Ökologische Eigenschaften wie Feuchtigkeit und Temperatur.
- Flüssigkeitsdynamik wie Druck, Fließraten, und Ton.
Tragbare elektronische Geräte
Dies sind kleine Ausrüstungsgegenstände, die auf dem Kopf getragen werden, Waffen, Hals, Füße, und Rumpf. Einige der tragbaren elektronischen Geräte, die derzeit auf dem Markt erhältlich sind, umfassen;
- Datenbrille, die im Kopf getragen wird
- Kragen, die am Hals getragen werden
- Smartwatches, die am Arm getragen werden
Rucksäcke und einige andere Kleidungsstücke werden am Oberkörper getragen
Andere IoT-Hardwaregeräte
Wir benutzen Geräte jeden Tag, wie Tabletten, Mobiltelefone, und Desktops, als wesentliche Bestandteile eines IoT-Systems. Mobiltelefone ermöglichen funktionale Fernbedienungs- und andere integrierte Modifikationseinstellungen. Der Desktop ermöglicht es dem Benutzer, das System gründlich zu steuern.
Während Tablets Benutzern den Zugriff auf die wichtigsten Funktionen des Systems ermöglichen und auch als Fernbedienung verwendet werden, standardisierte Netzwerkgeräte wie Switches und Router bilden weitere wichtige verbundene Geräte.
Eigenschaften des IoT-Hardwaregeräts
Mit der schnellen Einführung neuer industrieller IoT-Hardwareplattformen, seine Landschaft hat sich ständig weiterentwickelt. IoT-Geräte haben gemeinsame Schlüsselmerkmale, die eine Bewertung bei der Auswahl von Hardware und Software ermöglichen, die bei der Konfiguration eines neuen IoT-Netzwerks oder bei der Erweiterung und Entwicklung bereits vorhandener Netzwerke verwendet werden. Wesentliche Fähigkeiten, die sich durch IoT-Geräte auszeichnen, sind;
Konnektivität
Alle IoT-Geräte haben Netzwerkkonnektivität als ihr bestimmendes Merkmal. Wenn IoT-Geräte lokal mit anderen kommunizieren, Sie verwenden Cloud-basierte Dienste, um Daten zu veröffentlichen. Die meisten IoT-Geräte übertragen Informationen drahtlos, entweder mit Bluetooth-Beacon, 802.11 (W-lan), Mobilfunknetze, RFID, oder die LPWAN-Technologien wie SigFox, LoRa, oder NB-IoT. Alle immobilen Geräte sind mit einem kabelgebundenen Kommunikationssystem ausgestattet. Diese stationären Geräte werden entweder in industriellen Steuerungsanwendungen installiert, Heimautomatisierung, und intelligente Gebäude. Standardprotokolle wie das Controller Area Network (KÖNNEN) oder der universelle asynchrone Empfängersender (UART) Geräte als eine Form der seriellen Kommunikation verbinden.
Energieverwaltung
Tragbare und tragbare Geräte, die stark auf drahtlose Stromquellen wie Photovoltaikzellen und Batterien angewiesen sind, betrachten das Energiemanagement als gefährlichen Faktor. Die meisten Benutzer versetzen ihre Geräte manchmal in den Energiesparmodus oder in den Schlafmodus, um Strom zu sparen. Dies hängt vom Nutzungsverhalten des Benutzers und dem Leistungsbedarf der beteiligten integrierten Schaltkreise ab (ICs), Sensoren, oder Aktoren. Der Stromverbrauch des Geräts steigt, wenn Sie die angeschlossenen Komponenten erhöhen.
Entwicklungsboards für Mikrocontroller
Ein Mikrocontroller ist eine Form von SoC, die Daten verarbeitet und große Datenmengen speichern kann. Sie umfassen Erinnerung, Prozessorkerne, und ein löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM) Wird verwendet, um alle benutzerdefinierten Programme auf dem Mikrocontroller laufen zu lassen. Außerdem, Mikrocontroller-Entwicklungsplatinen verfügen über eine zusätzliche elektrische Struktur zur Unterstützung des Mikrocontrollers, was die Programmierung oder das Prototyping mit dem Chip vorteilhafter macht.
Der Mikrocontroller ist über einen Hardwarebus oder analogen oder digitalen General-Purpose Input/Output mit Aktoren und Sensoren verbunden (GPIO) Stifte. Alle an den Bus angeschlossenen Komponenten verwenden Standard-Kommunikationsprotokolle wie SPI und I2C, und SPI zu kommunizieren. Das Austauschen oder Hinzufügen von Elementen, die mit dem Bus verbunden sind, wird leichter zugänglich, wenn der Benutzer einige festgelegte Standards übernimmt.
Einplatinencomputer (SBCs)
Sie sind improvisierter als Mikrocontroller. Einplatinencomputer ermöglichen dem Benutzer das Einbinden von Peripheriegeräten wie Bildschirmen, Tastaturen, die Maus. Es, oben drauf, bietet mehr Leistung für die Verarbeitung und mehr Speicher. Zum Beispiel, ein Mikrocontroller hat einen 8-Bit 16KHZ Mikroprozessor, während die Einplatinencomputer eine 1.2 GHz 32-Bit-ARM-Mikroprozessor.
Welches ist die beste Wahl zwischen Mikrocontroller-Entwicklungsboards und Single-Board-Computern??
Wenn Sie planen, entweder ein Mikrocontroller-Entwicklungsboard oder einen Single-Board-Computer zu kaufen, Es ist wichtig, die Hauptmerkmale des Geräts in Bezug auf die Anforderungen Ihrer Anwendung zu berücksichtigen. Ebenfalls, Verwenden Sie die folgenden Entscheidungen, um durchzuarbeiten;
- Legen Sie die Anzahl und Art der Ausgangskomponenten und peripheren Sensoren fest, die für die Entwurfsschaltungen der Komponente erforderlich sind.
- Wählen Sie ein einzelnes Board oder einen Mikrocontroller, um die Komponenten eines Peripheriesystems zu steuern und zu koordinieren.
- Wählen Sie die wesentlichen Protokolle der Datenkommunikationsprotokolle aus, die Sie für die geräteinterne Kommunikation benötigen. Zum Beispiel, um zwischen einem Mikrocontroller und angeschlossenen Sensoren zu kommunizieren, Verwenden Sie einen I2C.
- Bestimmen Sie die Protokolle und die Netzwerkhardware, die für die Kommunikation mit Anwendungen und Cloud-Diensten erforderlich sind.
- Vergleichen Sie die Designabsicht, die Sie nach weiteren Fortschritten erwarten, mit Ihrem IoT-Landschaftsdesign.
- Greifen Sie auf die eingebettete Software zu, Prototyp, Gerätedesign und Auswahl der besten Anwendungen und Dienste. Es ist von Zeit zu Zeit möglich, Ihre Prototypen neben Ihren funktionalen und nichtfunktionalen Anforderungen zu evaluieren, wie Sicherheit, Performance, und Zuverlässigkeit. Dann überdenken Sie die Entscheidungen, die Sie für notwendig halten.
IoT-Hardwareanforderungen für die Bereitstellung Ihres IoT-Projekts
IoT-Geräte funktionieren nur in bestimmten Umgebungen, und ihre Hardwareprojekte unterscheiden sich stark; daher, sie sind hochspezialisiert. Dennoch, es ist möglich, Ihre kundenspezifischen Leiterplatten und deren Komponenten maßgeschneidert für die Anforderungen Ihrer IoT-Lösung durch Prototyping mit der generischen Standardhardware zu entwickeln und zu entwerfen. Bei der Bereitstellung Ihres IoT-Projekts, Beachten Sie unbedingt die folgenden IoT-Hardwareanforderungen:
Sicherheitsanforderungen
Sicherheit ist ein wesentlicher Bestandteil des Internets der Dinge. Die Berücksichtigung der Sicherheitsanforderungen des Geräts ist in allen Entwicklungs- und Designphasen unerlässlich. Auch beim Prototyping, Stellen Sie sicher, dass die Sicherheit und Integrität der von jedem Gerät erfassten Daten intakt bleibt. Alle IoT-Geräte, ihr Netzwerk, Serviceanwendungen von Websites, und Handys gelten die Sicherheitsanforderungen.
Einfache Entwicklung
Einfache Entwicklung ist eine Anforderung mit hoher Priorität beim Prototyping. Es ermöglicht dem Benutzer, das IoT-Gerät schnell und effizient in Betrieb zu nehmen, wenn es Daten erfasst und sich mit anderen Geräten und der Cloud verbindet. Bei der Bereitstellung Ihrer IoT-Projekte, Beachten Sie die Qualität der API-Dokumentation documentation, Barrierefreiheit, und Verfügbarkeit. Ebenfalls, Betrachten Sie die Werkzeuge der Entwicklung, und Unterstützung durch den Gerätehersteller oder das Entwicklungsteam.
Datenerfassung, wird bearbeitet, und Lageranforderungen
Die Anzahl der an die Auflösung der erfassten Daten angeschlossenen Sensoren und die Abtastrate sind die wichtigsten Determinanten für das zu verarbeitende Datenvolumen. Sie beeinflussen auch die Anforderungen an die Speicherung und Verarbeitung von Daten.
Konnektivitätsanforderungen
Drahtlose Netzwerke haben Konnektivitätsanforderungen, wie z, vom Sendesignal zurückgelegte Strecke, und die prognostizierten Daten und das übertragene Volumen. Beim Überprüfen der Verbindungsanforderungen des Geräts, Es ist wichtig, die Fehlertoleranz zu berücksichtigen, die Wiederverbindungsfähigkeit des Geräts, und wie lange ein Gerät braucht, wenn es nach dem Trennen erneut versucht, Daten zu senden.
Strombedarf
Der Strombedarf wird hauptsächlich durch die Netzwerkübertragungsrate und die Anzahl der Sensoren im Gerät beeinflusst. Deshalb, bei der Bereitstellung Ihres IoT-Projekts, Es ist wichtig zu überlegen, ob das Gerät eine mobile Stromquelle wie einen Superkondensator oder eine Batterie benötigt oder für die Stromversorgung fest verdrahtet ist. Ebenfalls, Kenne die Größe der Batterie, Kapazitätsbedarf, Gewicht, und wenn der Akku wieder aufgeladen ist, ersetzt, oder weggeworfen, wenn es stirbt. Falls der Akku wiederaufladbar ist, prüfen, mit welchen Mitteln und wie oft es aufgeladen wird?
Anforderungen an das physische Gerätedesign
Sie umfassen die Größe und das physische Erscheinungsbild des Hardwaregeräts. Beim Entwerfen eines IoT-Geräts, Es ist wichtig, die ökologischen Situationen zu berücksichtigen, in denen das Gerät installiert wird. Zum Beispiel, Überlegen Sie, ob das Gerät eine robuste oder wasserdichte? Alle Geräte, die im Rahmen einer Flottenüberwachungsanwendung an der Unterseite eines Lastwagens installiert sind, sollten immer geschützt werden, um sicherzustellen, dass sie gut funktionieren, auch unter rauen Bedingungen. Das Gerät muss wasserdicht und stoßunempfindlich sein, Schmutz, und Vibration.
Kostenanforderungen
Der Aufwand der Originalhardware und verwandte Komponenten wie Sensoren sind die Hauptdeterminanten des Hardwarepreises. Andere Komponenten, die die Hardwarekosten bestimmen, umfassen die laufenden Betriebskosten wie Wartungs- und Stromkosten. Ebenfalls, Es ist wichtig, die angemessenen Lizenzgebühren für die Laufwerke und Komponenten einiger Geräte zu überdenken. Die Bestückung von benutzerdefinierten Boards ist teurer als der Kauf handelsüblicher Entwicklungsboards. Es ist eine klügere Alternative, Hardwaregeräte beim Scale-out im IoT-Netzwerk mit zahlreichen Instrumenten zu weihen.
Prozessoren
Die Daten werden verarbeitet, sobald die Sensordaten sie erfasst haben, bevor die Ergebnisse in die Cloud übertragen werden. So, der Umfang der Datenverarbeitung zur Erstellung der nachfolgenden Sensordaten und die Komplexität der Sensoren bestimmen die Verarbeitungsebene. Beispielsweise, der Temperaturmesswert ist eine einfache Darstellung eines Durchschnitts von eingestellten Werten oder eines einzelnen Datenwertes über die Zeit. Außerdem, Eine Überwachungskamera, die kein digitales Video aufzeichnen kann, ohne dass der Szenenerkennungsalgorithmus ein Ereignis meldet, kann komplexer sein.
Basierend auf der Komplexität und Leistung, die zur Verarbeitung von Daten erforderlich ist, vier IoT-Hardware-Verarbeitungsklassen sind erforderlich. Sie sind;
PC-basierte Systeme
Die PC-basierten Systeme sind konfigurierbare Plattformen, die eine einfache Erstellung kundenspezifischer Systeme durch Systemintegratoren von günstigen, typische Prozessoren, Standard-Mainboards, Fälle, und Netzteile. Umfangreiche lokale Datenspeicherfunktionen werden hauptsächlich von Solid-State-Laufwerken bereitgestellt provided (SSDs) oder Terabyte-Festplatten.
Mobile Systeme
Mobile Systeme beinhalten eingebettete Systeme, die eine spezielle Untergruppe haben, die für Smartphones und Tablets optimiert ist. Alle mobilen Systeme müssen häufig geladen werden, da die Geräte batteriebetrieben sind. Diese an sich persönlichen Geräte verfügen über fortschrittliche Energieverwaltungssystemfunktionen, um Energie zu sparen und die Batterielebensdauer des Geräts zu verlängern. Ebenfalls, mobile Systeme bieten Verarbeitungskapazitäten von hoher Leistung.
Mikroprozessor (MPU) basierte eingebettete Systeme
Sie bieten ein umfassendes Optionsspektrum an Fähigkeiten und Leistungen, die auf die Anforderungen bestimmter Produkte zugeschnitten sind. Die Anforderungen beziehen sich in erster Linie auf Kommunikationssysteme, Unterhaltungselektronik, Automobil- und Industriesteuerungen, medizinische Geräte, und andere vertikale Marktanwendungen.
Mikrocontroller (MCU) basierte eingebettete Systeme
Diese Systeme erfordern minimale Verarbeitungsanforderungen, und sie bieten kostengünstige Lösungen. Dennoch, Mikrocontroller sind fortschrittliche implantatspezifische Hardwaremodule zur Beschleunigung der Verarbeitung von Bildern und Sicherheitsfunktionen wie kryptografische Beschleunigung für den Austausch öffentlicher/privater Schlüssel und True Random Number Generation (WEISS).
IoT-Hardwarearchitektur
Mikrocontroller-Einheiten können verwendet werden, um die IoT-Geräte-Hardwarearchitektur aufzubauen. Die Chipressourcen des Systems, Schnittstellen, und Leistung bestimmt die Wahl einer Mikrocontroller-Einheit. Einige Features müssen gesammelt werden, um das IoT-Hardware-Design zu regeln. Diese Funktionen helfen bei der Fertigstellung des perfekten IoT-Hardware-Prototyps und beim Preis des obligatorischen IoT-Hardware-Kits. Sie beinhalten;
- Art der Aktoren oder Sensoren
- Art der Kommunikationsschnittstelle
- Menge der erfassten und übertragenen Daten
- Häufigkeit des Datentransports
IoT-Softwarearchitektur
Die Open-Source-Komponenten sind die Basis der IoT-Softwarearchitektur. Die obige Abbildung zeigt, wie die IoT-Architektur häufig in den meisten Systemen verwendet wird. Linux muss sich nicht auf die Ziel-IoT-Hardware- und -Softwareentwicklung festlegen; daher wird es häufiger verwendet.
Zur Zeit, Die meisten Unternehmen wollen IoT-Frameworks bereitstellen, die in unzähligen IoT-Detailanwendungen einsatzbereit sind. Das CoAP-Protokoll wird hauptsächlich verwendet, da es ausschließlich für Anwendungen des IoT . verwendet wird. Das Protokoll bietet auch einen Standardmechanismus, der sich mit IoT-Geräten verbindet.
Gängige IoT-Hardwareplattformen
Die wesentlichen Komponenten in Internet-of-Things-Anwendungen sind die IoT-Hardwareplattformen. Diese Geräte können Ihnen schnell helfen, Ihren DIY-Prototyp oder Ihr Projekt zu bauen. Einige der gängigsten Hardwareplattformen, die in IoT-Entwicklungen verwendet werden, sind;
- Raspberry Pi – Raspberry Pi ist als kleiner, günstiges Rechnerboard unter Technikfreaks, Experimentatoren, und Pädagogen.
- Arduino (Original) – Es handelt sich um eine Open-Source-Prototyping-Plattform, die auf einfach zu bedienender Software und Hardware basiert.
- ESP8266 – Es verbindet sich a 160 MHz-Mikrocontroller mit Zugangs- und Client-Punkten, vollständigen TCP/IP-Stacks und Wi-Fi-Frontend mit DNS.
- Intel Edison – Diese kleine Entwicklungsplattform bietet a 32 Bytes Intel Quark Mikrocontroller mit einer Intel Atom CPU.
- Intel Galileo – Diese Intel-basierte Architektur-AWS-IoT-Hardwareplattform ist ein Softwarepaket und Computerhardware, die mit Arduino-Shields für den Uno R3 pinkompatibel sind.
- BeagleBone – Diese offene Hardware ist einfach zu montieren, da es sich um einen kleinen Computer mit offener Software handelt, der an alle möglichen zu Hause erhältlichen Gegenstände angeschlossen werden kann.
- Banana Pi – Es ist ein Einplatinencomputer, der klein sein soll, billig, und flexibel genug für den täglichen Gebrauch.
- NodeMCU Dev Kit – Alles in einem Board integriert die PWM, ADC, 1-Draht, GPIO, und IIC, da es auf dem ESP8266 Wi-Fi-Chip basiert.
- Flutter – Flutter hat einen Hochgeschwindigkeits-ARM-Prozessor, ein IoT-Hardware-Sicherheitschip an Bord, eingebaute Ladebatterien, und solide drahtlose Kommunikation mit großer Reichweite.
Open Source ist in IoT-Hardware allgegenwärtig
Die meisten IoT-Entwickler sind mit der Verwendung von Open Source vertraut, wo mehr als 91% von ihnen wenden die Open-Source-Software an, offene Daten, oder offene Hardware in mehr als einem Fragment ihres Entwicklungsstapels, überzeugender machen. jedoch, weniger als 2 aus 10 IoT-Entwickler setzen meist auf die patentierte Technologie, und es ist weniger wahrscheinlich, dass sie die Open-Source-Option anpassen. Die Nutzung von IoT-Open-Source-Hardware dominiert bei den meisten IoT-Hardwareunternehmen. Diese hohe Nutzungsrate bleibt unabhängig vom Motiv des Entwicklers immer erhalten, ob zum Lernen, Spaß, oder Geld.
Open Source ist die neue Standardisierung
Der Einsatz von Standardlösungen bringt die gleichen Produktivitätsgewinne wie der Einsatz offener Standards. Zusätzlich, Anwendungen öffentlicher Standards in Open Source helfen bei der Lösung von Interoperabilitätsherausforderungen, was ein kritisches Problem im aufkommenden Internet der Dinge ist. Es ist wichtig, immer die verkürzten Schulungskosten von neuem Personal zu berücksichtigen, das mit der von Ihnen verwendeten Open-Source-Technologie vertraut ist. Das hat Google getan, als es seine MapReduce-Technologie an Subunternehmer vergeben hat. Hauptsächlich, Open-Source-Lösungen werden im Azure IoT-Hardwarebereich verwendet.
Open Source zieht Entwickler an
Open Source stößt bei Entwicklern auf eine immense Begeisterung, da sie subtiler auf die von Open Source gebotenen Werte und Standards eingehen. Mehr als 78% der IoT-Entwickler bevorzugen die Open-Source-Technologie in mindestens einem Entwicklungsfeld, wann immer es möglich ist, als in Alternativen, die proprietären überlegen sind. Wenn ein Unternehmen eine Open-Source betreibt und unterstützt, Sie signalisieren dem Entwickler eine erstklassige Technologie in drei wesentlichen Aspekten.
- Anpassung an das Ethos und die Ethik des Entwicklers
- Hebt Ihren Lösungswert und die Unterstützung der Entwickler hervor
- Schattiert die Technologie als führend
