Wenn Sie diese Geheimnisse kennen, sieht Ihre IoT-Hardware fantastisch aus

IoT-Hardware umfasst eine Vielzahl von Geräten wie Sensoren, Brücken und Routing-Geräte. Diese IoT-Geräte erfüllen wichtige Funktionen zur Verwaltung wichtiger Aufgaben wie der Aktivierung des Systems, der Kommunikation, der Aktionsbestimmungen, der Sicherheit und der Erkennung detaillierter Aktionen und Ziele. Im Folgenden erfahren Sie mehr über die bei MOKOSmart verfügbaren IoT-Hardwaregeräte, die die IoT-Technologie verwenden, die IoT-Hardwarebausteine, die Architektur der IoT-Software und die gängigen IoT-Hardwareplattformen. Darüber hinaus besprechen wir die wesentlichen IoT-Hardwareanforderungen für die Bereitstellung eines IoT-Projekts sowie alles über Mikrocontroller-Entwicklungsboards, Single-Board-Computer und Prozessoren.

Die IoT-Hardware-Bausteine

In diesem Abschnitt besprechen wir einige Bausteine der IoT-Hardware.

 Thing

Im IoT bezeichnet „Thing“ das Objekt, das gemessen, überwacht oder gesteuert werden soll. Die meisten IoT-Produkte integrieren ihre intelligenten Geräte vollständig in das „Thing“. Beispielsweise überwachen und steuern sich Produkte wie selbstfahrende Fahrzeuge und intelligente Kühlschränke selbst.

In einigen anderen Anwendungen, in denen „das Ding“ als eigenständiges Gerät verwendet wird, muss ein bestimmtes Produkt verknüpft werden, um zu bestätigen, dass es über intelligente Funktionen verfügt.

Datenerfassungsmodul

Diese IoT-Hardwarekomponente konzentriert sich auf die Erfassung physikalischer Signale des überwachten Objekts. Anschließend wandelt sie diese in digitale Signale um, die ein Computer leicht interpretieren oder verarbeiten kann. Alle Sensoren, die zur Erfassung realer Signale wie Druck, Dichte, Temperatur, Licht, Vibration und Bewegung beitragen, sind in dieser IoT-Hardwarekomponente enthalten. Die Anwendung bestimmt die Anzahl und Art der benötigten Sensoren.

Das Datenerfassungsmodul umfasst außerdem die erforderliche Hardware, die für die Umwandlung der Signale des eingehenden Sensors in digitale Daten, die vom Computer verwendet werden, unerlässlich ist. Dies umfasst die Gewöhnung an eingehende Signale, deren Interpretation, Analog-Digital-Wandlung, Skalierung und Rauschminimierung.

Datenverarbeitungsmodul

Es umfasst die kritische Einheit zur Datenverarbeitung, die Vorgänge wie lokale Datenspeicherung, lokale Analysen und andere Computervorgänge ausführt.

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 wichtigste Element der IoT-Hardware. IoT-Sensoren bestehen aus mehreren Modulen wie Energiemanagementmodulen, HF-Modulen, Sensormodulen und Energiemodulen. Sie eignen sich ideal für Anwendungen in:

• Nähe
• Optisches Umgebungslicht
• Leckagen erkennen
• Messung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit
• Elektromagnetismus
• BESCHLEUNIGUNG
• Akustik und Vibration
• Identifizierung chemischer Gase
• Verdrängung
• Druck erzwingen

Sensors

IoT-Daten sind ohne Sensoren nicht realisierbar. Alle IoT-Sensoren erzeugen analoge elektrische Signale, die einem physischen Objekt proportional sind. Sensoren nutzen ADCs (Analog-Digital-Wandler), um diese analogen Signale in digitale Daten umzuwandeln. Auch einfache elektrische Eigenschaften wie Stromstärke, Induktivität, Spannung, Widerstand und Impedanz können mithilfe von Sensoren gemessen werden.

Darüber hinaus können Richtung und Stärke magnetischer und elektrischer Felder mithilfe von 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:

• 3D-Parameter wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Verschiebung und Vibration.
• Ökologische Eigenschaften wie Feuchtigkeit und Temperatur.
• Dynamik von Flüssigkeiten wie Druck, Durchflussraten und Schall.

Tragbare elektronische Geräte

Dabei handelt es sich um kleine Geräte, die an Kopf, Armen, Hals, Füßen und Rumpf getragen werden. Zu den derzeit auf dem Markt erhältlichen tragbaren elektronischen Geräten gehören unter anderem:

• Smart Glasses, die im Kopf getragen werden
• Halsbänder, die am Hals getragen werden
• Smartwatches, die am Arm getragen werden

Rucksäcke und einige andere Kleidungsstücke werden am Oberkörper getragen

Andere IoT-Hardwaregeräte

Wir nutzen täglich Geräte wie Tablets, Mobiltelefone und Desktop-PCs als wesentliche Bestandteile eines IoT-Systems. Mobiltelefone ermöglichen funktionale Fernsteuerung und andere integrierte Anpassungseinstellungen. Der Desktop-PC ermöglicht dem Benutzer eine umfassende Steuerung des Systems.

Während Tablets den Benutzern den Zugriff auf die wichtigsten Funktionen des Systems ermöglichen und auch als Fernbedienung verwendet werden, stellen standardisierte Netzwerkgeräte wie Switches und Router weitere wichtige verbundene Geräte dar.

Eigenschaften von IoT-Hardwaregeräten

Mit der rasanten Einführung neuer industrieller IoT-Hardwareplattformen hat sich die IoT-Landschaft stetig weiterentwickelt. IoT-Geräte verfügen über gemeinsame Schlüsselmerkmale, die bei der Auswahl von Hard- und Software für die Konfiguration eines neuen IoT-Netzwerks oder die Erweiterung und Weiterentwicklung bestehender Netzwerke eine wichtige Rolle spielen. Wesentliche Merkmale von IoT-Geräten sind:

Konnektivität

Alle IoT-Geräte zeichnen sich durch Netzwerkfähigkeit aus. Bei der lokalen Kommunikation nutzen sie Cloud-basierte Dienste zur Datenübertragung. Die meisten IoT-Geräte übertragen Informationen drahtlos, beispielsweise über Bluetooth Beacon , WLAN (802.11), Mobilfunknetze, RFID oder LPWAN-Technologien wie SigFox, LoRa oder NB-IoT. Stationäre Geräte verfügen über ein kabelgebundenes Kommunikationssystem und werden in industriellen Steuerungssystemen, der Hausautomation und in intelligenten Gebäuden eingesetzt. Standardprotokolle wie CAN (Controller Area Network) oder UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) ermöglichen die serielle Kommunikation zwischen den Geräten.

Power-Management

Tragbare und tragbare Geräte, die stark auf drahtlose Stromquellen wie Photovoltaikzellen und Batterien angewiesen sind, betrachten das Energiemanagement als Risikofaktor. Die meisten Benutzer versetzen ihre Geräte manchmal in den Energiesparmodus oder in den Ruhemodus, um Strom zu sparen. Dies hängt vom Nutzungsverhalten des Benutzers und dem Strombedarf der beteiligten integrierten Schaltkreise (ICs), Sensoren oder Aktoren ab. Der Stromverbrauch des Geräts steigt mit der Anzahl der angeschlossenen Komponenten.

Mikrocontroller-Entwicklungsplatinen

Ein Mikrocontroller ist eine Form eines SoC, der Daten verarbeitet und große Datenmengen speichern kann. Er besteht aus Speicher, Prozessorkernen und einem löschbaren, programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM), der alle benutzerdefinierten Programme auf dem Mikrocontroller laufen lässt. Darüber hinaus verfügen Mikrocontroller-Entwicklungsboards über eine zusätzliche elektrische Struktur zur Unterstützung des Mikrocontrollers, was die Programmierung oder das Prototyping mit dem Chip erleichtert.

Der Mikrocontroller ist über einen Hardware-Bus oder analoge oder digitale GPIO-Pins (General-Purpose Input/Output) mit Aktoren und Sensoren verbunden. Alle an den Bus angeschlossenen Komponenten kommunizieren über Standardkommunikationsprotokolle wie SPI, I2C und SPI. Das Austauschen oder Hinzufügen von mit dem Bus verbundenen Elementen wird durch die Einhaltung bestimmter Standards erleichtert.

Einplatinencomputer (SBCs)

Sie sind improvisierter als Mikrocontroller. Einplatinencomputer ermöglichen den Anschluss von Peripheriegeräten wie Bildschirmen, Tastaturen und Mäusen. Sie bieten zudem mehr Rechenleistung und mehr Speicher. Ein Mikrocontroller verfügt beispielsweise über einen 8-Bit-Mikroprozessor mit 16 kHz, während Einplatinencomputer über einen 1.2-GHz-32-Bit-ARM-Mikroprozessor verfügen.

Was ist die beste Wahl: Mikrocontroller-Entwicklungsplatinen oder Einplatinencomputer?

Wenn Sie den Kauf eines Mikrocontroller-Entwicklungsboards oder eines Single-Board-Computers planen, sollten Sie die Hauptmerkmale des Geräts im Hinblick auf die Anforderungen Ihrer Anwendung berücksichtigen. Beachten Sie außerdem die folgenden Punkte:

• Legen Sie bei Bedarf die Menge und Art der für die Schaltungskonstruktion der Komponente erforderlichen Ausgangskomponenten und Peripheriesensoren fest.
• Wählen Sie eine einzelne Platine oder einen Mikrocontroller zur Steuerung und Koordination der Komponenten eines Peripheriesystems.
• Wählen Sie die wichtigsten Datenkommunikationsprotokolle aus, die Sie für die geräteinterne Kommunikation benötigen. Verwenden Sie beispielsweise I2C für die Kommunikation zwischen einem Mikrocontroller und angeschlossenen Sensoren.
• Bestimmen Sie die Protokolle und die Netzwerkhardware, die für die Kommunikation mit Anwendungen und Cloud-Diensten erforderlich sind.
• Vergleichen Sie die Designabsicht, die Sie zu erreichen erwarten, wenn Sie mit dem Design Ihrer IoT-Landschaft weiter fortschreiten.
• Greifen Sie auf eingebettete Software, Prototypen und Gerätedesigns zu und wählen Sie die besten Anwendungen und Dienste aus. Es ist möglich, Ihre Prototypen regelmäßig anhand Ihrer funktionalen und nicht-funktionalen Anforderungen wie Sicherheit, Leistung und Zuverlässigkeit zu bewerten. Überprüfen Sie anschließend die für Sie notwendigen Entscheidungen.

IoT-Hardwareanforderungen für die Bereitstellung Ihres IoT-Projekts

IoT-Geräte funktionieren nur in bestimmten Umgebungen, und ihre Hardwareprojekte unterscheiden sich stark; daher sind sie hochspezialisiert. Dennoch ist es möglich, kundenspezifische Leiterplatten und deren Komponenten durch Prototyping mit handelsüblicher Hardware maßgeschneidert für die Anforderungen Ihrer IoT-Lösung zu entwickeln und zu gestalten. Bei der Implementierung Ihres IoT-Projekts ist es wichtig, die folgenden IoT-Hardwareanforderungen zu berücksichtigen:

Sicherheitsanforderungen

Sicherheit ist ein wesentlicher Bestandteil des Internets der Dinge. Die Berücksichtigung der Gerätesicherheitsanforderungen ist in allen Entwicklungs- und Designphasen unerlässlich. Stellen Sie bereits beim Prototyping sicher, dass die Sicherheit und Integrität der von jedem Gerät erfassten Daten gewährleistet bleibt. Alle IoT-Geräte, deren Netzwerke, Serviceanwendungen von Websites und Mobilgeräte erfüllen die Sicherheitsanforderungen.

Einfache Entwicklung

Einfache Entwicklung ist eine wichtige Anforderung beim Prototyping. Sie ermöglicht es dem Benutzer, das IoT-Gerät schnell und effizient in Betrieb zu nehmen, Daten zu erfassen und mit anderen Geräten und der Cloud zu verbinden. Achten Sie bei der Bereitstellung Ihrer IoT-Projekte auf die Qualität, Zugänglichkeit und Verfügbarkeit der API-Dokumentation. Berücksichtigen Sie außerdem die Entwicklungstools und den Support, die vom Gerätehersteller oder dem Entwicklungsteam bereitgestellt werden.

Anforderungen an die Datenerfassung, -verarbeitung und -speicherung

Die Anzahl der angeschlossenen Sensoren, die Auflösung der erfassten Daten und die Abtastrate bestimmen maßgeblich das zu verarbeitende Datenvolumen. Sie beeinflussen auch die Anforderungen an die Speicherung und Verarbeitung der Daten.

Konnektivitätsanforderungen

Drahtlose Netzwerke stellen Verbindungsanforderungen wie Reichweite, vom Sendesignal zurückgelegte Distanz sowie das voraussichtliche Daten- und Übertragungsvolumen. Bei der Überprüfung der Konnektivitätsanforderungen des Geräts ist es wichtig, die Fehlertoleranz, die Wiederherstellungsfähigkeit des Geräts und die Dauer des erneuten Datenversands nach einer Verbindungsunterbrechung zu berücksichtigen.

Stromversorgung

Der Strombedarf wird hauptsächlich von der Netzwerkübertragungsrate und der Anzahl der Sensoren im Gerät beeinflusst. Daher ist es bei der Implementierung Ihres IoT-Projekts wichtig zu berücksichtigen, ob das Gerät eine mobile Stromquelle wie einen Superkondensator, eine Batterie oder eine kabelgebundene Stromversorgung benötigt. Beachten Sie außerdem Größe, Kapazitätsbedarf und Gewicht der Batterie und ob sie nach dem Entladen wiederaufgeladen, ausgetauscht oder entsorgt werden kann. Falls die Batterie wiederaufladbar ist, prüfen Sie, wie und wie oft sie aufgeladen wird.

Anforderungen an das physische Gerätedesign

Dazu gehören Größe und Aussehen des Hardwaregeräts. Bei der Entwicklung eines IoT-Geräts ist es wichtig, die Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen, in denen das Gerät installiert wird. Überlegen Sie beispielsweise, ob das Gerät robust oder wasserdicht sein muss. Alle Geräte, die im Rahmen einer Flottenüberwachungsanwendung an der Unterseite eines LKWs installiert werden, sollten stets geschützt werden, um sicherzustellen, dass sie auch unter rauen Bedingungen einwandfrei funktionieren. Das Gerät muss wasserfest und unempfindlich gegen Stöße, Schmutz und Vibrationen sein.

Kostenanforderungen

Die Anschaffungskosten der Hardware und zugehöriger Komponenten wie Sensoren bestimmen maßgeblich den Preis. Weitere Faktoren, die die Hardwarekosten bestimmen, sind die laufenden Betriebskosten wie Wartung und Strom. Auch die Lizenzgebühren für Laufwerke und Komponenten einiger Geräte sollten berücksichtigt werden. Die Montage kundenspezifischer Platinen ist teurer als der Kauf handelsüblicher Entwicklungsplatinen. Bei der Skalierung des IoT-Netzwerks mit mehreren Geräten ist es sinnvoller, Hardwaregeräte zu verwenden.

Prozessoren

Die Daten werden verarbeitet, sobald die Sensordaten erfasst sind, bevor die Ergebnisse an die Cloud übermittelt werden. Der Verarbeitungsgrad hängt vom Umfang der Datenverarbeitung zur Erstellung der Sensordaten und der Komplexität der Sensoren ab. Beispielsweise ist die Temperaturmessung eine einfache Darstellung eines Durchschnittswerts festgelegter Werte oder eines einzelnen Datenwerts über einen bestimmten Zeitraum. Darüber hinaus kann eine Überwachungskamera, die kein digitales Video aufzeichnen kann, ohne dass der Szenenerkennungsalgorithmus ein Ereignis meldet, komplexer sein.

Basierend auf der Komplexität und der zur Datenverarbeitung erforderlichen Leistung sind vier IoT-Hardware-Verarbeitungsklassen erforderlich. Diese sind:

PC-basierte Systeme

Die PC-basierten Systeme sind konfigurierbare Plattformen, die Systemintegratoren die einfache Erstellung maßgeschneiderter Systeme aus kostengünstigen, typischen Prozessoren, handelsüblichen Motherboards, Gehäusen und Netzteilen ermöglichen. Umfangreiche lokale Datenspeicherkapazitäten werden hauptsächlich durch Solid-State-Laufwerke (SSDs) oder Terabyte-Festplatten bereitgestellt.

Mobile Systeme

Mobile Systeme enthalten eingebettete Systeme mit einem speziellen, für Smartphones und Tablets optimierten Teil. Da sie batteriebetrieben sind, müssen alle mobilen Systeme häufig aufgeladen werden. Diese persönlichen Geräte verfügen über ein fortschrittliches Energiemanagementsystem, um Energie zu sparen und die Akkulaufzeit zu verlängern. Darüber hinaus bieten mobile Systeme eine hohe Verarbeitungsleistung.

Mikroprozessorbasierte (MPU) eingebettete Systeme

Sie bieten ein umfassendes Spektrum an Funktionen und Leistungen, die den Anforderungen spezifischer Produkte gerecht werden. Die Anforderungen betreffen vor allem Kommunikationssysteme, Unterhaltungselektronik, Automobil- und Industriesteuerungen, medizinische Geräte und andere vertikale Marktanwendungen.

Mikrocontroller (MCU)-basierte eingebettete Systeme

Diese Systeme erfordern nur minimale Verarbeitungsanforderungen und bieten kostengünstige Lösungen. Mikrocontroller sind jedoch fortschrittliche, implantatspezifische Hardwaremodule, die die Bildverarbeitung beschleunigen und Sicherheitsfunktionen wie die kryptografische Beschleunigung für den Austausch öffentlicher/privater Schlüssel und die Generierung echter Zufallszahlen (TRNG) übernehmen.

IoT-Hardwarearchitektur

Mikrocontrollereinheiten können zum Aufbau der Hardwarearchitektur von IoT-Geräten verwendet werden. Die Chipressourcen, Schnittstellen und Leistung des Systems bestimmen die Wahl der Mikrocontrollereinheit. Für das IoT-Hardwaredesign müssen einige Funktionen berücksichtigt werden. Diese Funktionen tragen zur Fertigstellung des perfekten IoT-Hardwareprototyps und zum Preis des obligatorischen IoT-Hardwarekits bei. Dazu gehören:

• Art der Aktoren oder Sensoren
• Art der Kommunikationsschnittstelle
• Menge der erfassten und übertragenen Daten
• Häufigkeit des Datentransports

IoT-Softwarearchitektur

Die Open-Source-Komponenten bilden die Grundlage der IoT-Softwarearchitektur. Die obige Abbildung zeigt, wie die IoT-Architektur in den meisten Systemen eingesetzt wird. Linux ist nicht auf die Entwicklung von IoT-Hardware und -Software beschränkt und daher weit verbreitet.

Derzeit streben die meisten Unternehmen danach, IoT-Frameworks für den Einsatz in zahlreichen IoT-Anwendungen bereitzustellen. Das CoAP-Protokoll wird hauptsächlich verwendet, da es ausschließlich für IoT-Anwendungen vorgesehen ist. Das Protokoll bietet außerdem einen Standardmechanismus für die Verbindung mit IoT-Geräten.

Gängige IoT-Hardwareplattformen

Die wesentlichen Komponenten von IoT-Anwendungen sind IoT-Hardwareplattformen. Diese Geräte ermöglichen Ihnen den schnellen Aufbau Ihres DIY-Prototyps oder -Projekts. Zu den gängigsten Hardwareplattformen in IoT-Entwicklungen zählen:

1. Raspberry Pi – Raspberry Pi ist als kleine, günstige Computerplatine unter Technikfans, Experimentatoren und Pädagogen weit verbreitet.
2. Arduino (Genuino) – Dies ist eine Open-Source-Prototyping-Plattform, die auf benutzerfreundlicher Software und Hardware basiert.
3. ESP8266 – Es verbindet einen 160-MHz-Mikrocontroller mit Zugriffs- und Clientpunkten, vollständigen TCP/IP-Stacks und einem Wi-Fi-Frontend mit DNS.
4. Intel Edison – Diese kleine Entwicklungsplattform verfügt über einen 32-Byte-Intel-Quark-Mikrocontroller mit einer Intel-Atom-CPU.
5. Intel Galileo – Diese architektonische AWS-IoT-Hardwareplattform auf Intel-Basis ist ein Softwarepaket und eine Computerhardware, die mit Arduino-Shields für den Uno R3 pinkompatibel ist.
6. BeagleBone – Diese Open-Hardware lässt sich leicht zusammenbauen, da es sich um einen kleinen Open-Software-Computer handelt, der an alle möglichen zu Hause verfügbaren Geräte angeschlossen werden kann.
7. Banana Pi – Dies ist ein Einplatinencomputer, der klein, günstig und flexibel genug für den täglichen Gebrauch sein soll.
8. NodeMCU Dev Kit – Dieses All-in-One-Board integriert PWM, ADC, 1-Wire, GPIO und IIC, da es auf dem ESP8266-WLAN-Chip basiert.
9. Flutter – Flutter verfügt über einen Hochgeschwindigkeits-ARM-Prozessor, einen integrierten IoT-Hardware-Sicherheitschip, eingebaute Ladebatterien und eine solide drahtlose Kommunikation mit großer Reichweite.

Open Source ist in der IoT-Hardware allgegenwärtig

Die meisten IoT-Entwickler sind mit der Nutzung von Open Source vertraut. Mehr als 91 % von ihnen nutzen Open-Source-Software, Open Data oder Open Hardware in mehreren Fragmenten ihres Entwicklungs-Stacks, was dies noch überzeugender macht. Allerdings verlassen sich weniger als zwei von zehn IoT-Entwicklern hauptsächlich auf patentierte Technologie und nutzen die Open-Source-Option seltener. Die Nutzung von Open-Source-Hardware ist bei den meisten IoT-Hardware-Unternehmen vorherrschend. Diese hohe Nutzungsrate bleibt unabhängig vom Motiv des Entwicklers bestehen – ob Lernen, Spaß oder Geld.

Open Source ist die neue Standardisierung

Der Einsatz von Standardlösungen bietet die gleichen Produktivitätsgewinne wie die Nutzung offener Standards. Darüber hinaus trägt die Anwendung öffentlicher Standards in Open Source zur Lösung von Interoperabilitätsproblemen bei, die im aufstrebenden Internet der Dinge ein kritisches Problem darstellen. Es ist wichtig, stets die reduzierten Schulungskosten für neues Personal zu berücksichtigen, das mit der von Ihnen verwendeten Open-Source-Technologie vertraut ist. Dies hat Google beispielsweise bei der Vergabe seiner MapReduce-Technologie umgesetzt. Open-Source-Lösungen werden hauptsächlich im Azure-IoT-Hardwarebereich eingesetzt.

Open Source zieht Entwickler an

Open Source stößt bei Entwicklern auf große Begeisterung, da sie die Werte und Standards von Open Source besser kennen. Mehr als 78 % der IoT-Entwickler bevorzugen, wann immer möglich, die Open-Source-Technologie in mindestens einem Entwicklungsbereich gegenüber Alternativen, die proprietären überlegen sind. Wenn ein Unternehmen Open Source betreibt und unterstützt, signalisiert es dem Entwickler in drei wichtigen Aspekten eine Spitzentechnologie.

1. Anpassung an das Ethos und die Ethik des Entwicklers
2. Hebt den Wert Ihrer Lösung und den Support des Entwicklers hervor
3. Schattiert die Technologie als Spitzentechnologie