IoT-hardware vormt een breed scala aan apparaten zoals sensoren, bruggen, en routeringsapparaten. Deze IoT-apparaten voeren kritieke functies uit voor het beheren van essentiële taken, zoals het activeren van het systeem, communicatie, actiebepalingen, veiligheid, en het detecteren van gedetailleerde acties en doelen. Onderstaand, je leert de IoT-hardwareapparaten die beschikbaar zijn bij MOKOSmart en die de IoT-technologie gebruiken, de bouwstenen van IoT-hardware, de architectuur van IoT-software, en de gemeenschappelijke IoT-hardwareplatforms. Bovendien, we zullen de essentiële IoT-hardwarevereisten bespreken die nodig zijn om een IoT-project te implementeren en alles over microcontroller-ontwikkelingsborden, computers met één bord, en verwerkers.
De bouwstenen van IoT-hardware
In deze sectie, we zullen enkele bouwstenen van IoT-hardware bespreken.
Ding
In IoT, "Ding" vertegenwoordigt het actief dat bedoeld is om te meten, toezicht houden op, of controle. De meeste IoT-producten integreren hun slimme apparaten volledig met het 'ding'. Bijvoorbeeld, producten zoals automatische voertuigen en slimme koelkasten controleren en controleren zichzelf grondig.
In sommige andere toepassingen waar "het ding" wordt gebruikt als een alleenstaand apparaat, een bepaald product moet worden gekoppeld om te certificeren dat het over slimme mogelijkheden beschikt.
Data-acquisitiemodule
Deze IoT-hardwarecomponent richt zich op het verkrijgen van fysieke signalen van het bewaakte of waargenomen ding. Het zet ze later om in digitale signalen die een computer gemakkelijk kan interpreteren of manipuleren. Alle sensoren die helpen bij het verkrijgen van real-world signalen zoals druk, dichtheid, temperatuur, licht, trillingen, en beweging zijn vervat in deze IoT-hardwarecomponent. De applicatie bepaalt het aantal en het type sensoren dat nodig is.
Ook, de data-acquisitiemodule bevat de benodigde hardware die essentieel is voor het omzetten van signalen van de binnenkomende sensor naar digitale gegevens die door de computer worden gebruikt. Dit gaat gepaard met gewenning aan het inkomende signaal, interpretatie, analoog-naar-digitaal conversie, schalen, en het minimaliseren van ruis.
Gegevensverwerkingsmodule
Het omvat de kritieke eenheid die wordt gebruikt om gegevens te verwerken die bewerkingen uitvoeren zoals lokale gegevensopslag, lokale analyses, en andere computerbewerkingen.
Communicatiemodule
Deze module maakt effectieve communicatie mogelijk tussen het Cloud Platform en systemen van derden, hetzij in de cloud of lokaal.
IoT-hardwaresensoren
Sensoren zijn het meest kritieke item in IoT-hardware. IoT-sensoren bestaan uit meerdere modules zoals energiebeheermodules, RF-modules, detectiemodules, en energiemodules. Ze zijn ideaal voor toepassing in;
- Nabijheid
- Optisch omgevingslicht
- Lekkages opsporen
- Temperatuur en vochtigheid meten
- Elektrisch magnetisme
- Versnelling
- Akoestiek en trillingen
- Chemische gassen identificeren
- Verplaatsing
- Druk afdwingen
Sensoren
IoT-gegevens kunnen niet bestaan zonder sensoren. Alle IoT-sensoren creëren analoge elektrische signalen die in verhouding staan tot een fysiek bezit. Sensoren gebruiken ADC's (Analoog-naar-digitaal converters) om deze analoge signalen om te zetten in digitale data. Ook, eenvoudige elektrische eigenschappen zoals stroom, inductie, Spanning, weerstand, en impedantie kan worden gemeten met behulp van sensoren.
Bovendien, de richting en sterkte van magnetische en elektrische velden kan worden gemeten met behulp van sensoren.
Niet-elektrische eigenschappen die worden gemeten door sensoren gebruiken een transducer om fysieke eigenschappen te veranderen in analoge elektrische signalen.
De meest voorkomende fysieke eigenschappen zijn:;
- 3-D-parameters zoals snelheid, versnelling, verplaatsing, en trillingen.
- Ecologische eigenschappen zoals vochtigheid en temperatuur.
- Vloeibare vloeistofdynamica zoals druk, stroomsnelheden, en geluid.
Draagbare elektronische apparaten
Dit zijn kleine uitrustingsstukken die op het hoofd worden gedragen, armen, nek, voeten, en torso. Enkele van de draagbare elektronische apparaten die momenteel op de markt verkrijgbaar zijn, zijn:;
- Slimme bril die op het hoofd wordt gedragen
- Halsbanden die om de nek worden gedragen
- Slimme horloges die op de arm worden gedragen
Rugzakken en enkele andere kledingstukken worden op de romp gedragen
Andere IoT-hardwareapparaten
We gebruiken apparaten elke dag, zoals tablets, mobieltjes, en desktops, als essentiële onderdelen van een IoT-systeem. Mobiele telefoons maken functionele instellingen op afstand en andere integrale wijzigingsinstellingen mogelijk. De desktop stelt de gebruiker in staat het systeem grondig te besturen.
Hoewel tablets gebruikers toegang geven tot de belangrijkste functies van het systeem en ook als afstandsbediening worden gebruikt, gestandaardiseerde netwerkapparaten zoals switches en routers vormen andere belangrijke verbonden apparaten.
Kenmerken van IoT-hardwareapparaat:
Met de snelle introductie van nieuwe industriële IoT-hardwareplatforms, het landschap heeft zich voortdurend ontwikkeld. IoT-apparaten hebben gemeenschappelijke belangrijke kenmerken die evaluatie bieden bij het kiezen van hardware en software die worden gebruikt bij het configureren van een nieuw IoT-netwerk of bij het uitbreiden en ontwikkelen van de reeds bestaande netwerken. Essentiële mogelijkheden die worden gekenmerkt door IoT-apparaten zijn:;
Connectiviteit
Alle IoT-apparaten hebben netwerkconnectiviteit als hun bepalende kenmerk. Wanneer IoT-apparaten lokaal communiceren met anderen, ze gebruiken cloudgebaseerde services om gegevens te publiceren. De meeste IoT-apparaten dragen informatie draadloos over, ofwel met behulp van Bluetooth-baken, 802.11 (Wifi), mobiele netwerken, RFID, of de LPWAN-technologieën zoals SigFox, LoRa, of NB-IoT. Alle immobiele apparaten zijn uitgerust met een bekabeld communicatiesysteem. Deze stationaire apparaten worden ofwel geïnstalleerd in industriële besturingstoepassingen, domotica, en slimme gebouwen. Standaardprotocollen zoals het Controller Area Network (KAN) of de universele asynchrone ontvangerzender (UART) apparaten aansluiten als een vorm van seriële communicatie.
Stroombeheer
Draagbare en draagbare apparaten die sterk afhankelijk zijn van draadloze stroombronnen, zoals fotovoltaïsche cellen en batterijen, beschouwen energiebeheer als een gevaarlijke factor. De meeste gebruikers zetten hun apparaten soms in de energiebesparende modus of in de slaapmodus om energie te besparen. Dit hangt af van de gebruikspatronen van de gebruiker en de stroombehoeften van de betrokken geïntegreerde schakelingen (IC's), sensoren, of actuatoren. Het stroomverbruik van het apparaat neemt toe naarmate u meer aangesloten componenten gebruikt.
Microcontroller-ontwikkelingsborden
Een microcontroller is een vorm van SoC die gegevens verwerkt en enorme hoeveelheden gegevens kan opslaan. Ze omvatten geheugen, processorkernen, en een wisbaar programmeerbaar alleen-lezen geheugen (EPROM) gebruikt om alle aangepaste programma's op de microcontroller te laten draaien. Bovendien, microcontroller-ontwikkelborden hebben een extra elektrische structuur voor het ondersteunen van de microcontroller, waardoor het nuttiger is bij het programmeren of prototyping met de chip.
De microcontroller is verbonden met actuatoren en sensoren via een hardwarebus of analoge of digitale General-Purpose Input/Output (GPIO) pinnen. Alle componenten aangesloten op de bus met behulp van standaard communicatieprotocollen zoals SPI en I2C, en SPI om te communiceren. Het verwisselen of toevoegen van elementen die aan de bus zijn gekoppeld, wordt toegankelijker gemaakt wanneer de gebruiker een aantal vaste normen aanneemt.
Computers met één bord (SBC's)
Ze zijn meer geïmproviseerd dan microcontrollers. Single-board computers stellen de gebruiker in staat om randapparatuur zoals schermen aan te sluiten, toetsenborden, de muis. Het, bovenop, biedt meer kracht nodig voor verwerking en meer geheugen. Bijvoorbeeld, een microcontroller heeft een 8-bit 16KHZ microprocessor, terwijl de computers met één bord een 1.2 GHz 32-bits ARM-microprocessor.
Wat is de beste keuze tussen microcontroller-ontwikkelingsborden en computers met één bord??
Wanneer u van plan bent een microcontroller-ontwikkelbord of een computer met één bord aan te schaffen, het is essentieel om na te denken over de belangrijkste kenmerken van het apparaat met betrekking tot de vereisten van uw toepassing. Ook, gebruik de volgende beslissingen om door te werken:;
- Bepaal indien nodig de hoeveelheid en het soort uitgangscomponenten en perifere sensoren die essentieel zijn voor de ontwerpcircuits van de component.
- Kies een enkel bord of een microcontroller om de componenten van een randsysteem te besturen en te coördineren.
- Kies de essentiële protocollen van datacommunicatieprotocollen die u mogelijk nodig hebt voor communicatie tussen apparaten. Bijvoorbeeld, om te communiceren tussen een microcontroller en aangesloten sensoren, gebruik een I2C.
- Bepaal de protocollen en netwerkhardware die essentieel zijn om te communiceren met applicaties en cloudservices.
- Vergelijk de ontwerpintentie die u verwacht te bereiken nadat u verder bent gegaan met uw IoT-landschapsontwerp.
- Toegang tot de embedded software, prototype, apparaatontwerp en selecteer de beste applicaties en services. Het is van tijd tot tijd mogelijk om uw prototypes te evalueren naast uw functionele en niet-functionele vereisten, zoals beveiliging, uitvoering, en betrouwbaarheid. Kijk dan opnieuw naar de keuzes die volgens jou nodig zijn.
IoT-hardwarevereisten voor het implementeren van uw IoT-project
IoT-apparaten werken alleen binnen bepaalde ingestelde omgevingen, en hun hardwareprojecten lopen sterk uiteen; Vandaar, ze zijn zeer gespecialiseerd. niettemin, het is mogelijk om uw aangepaste PCB's en hun componenten op maat te ontwikkelen en te ontwerpen voor de vereisten van uw IoT-oplossing door prototyping met de generieke standaard hardware. Bij het implementeren van uw IoT-project, het is essentieel om rekening te houden met de onderstaande IoT-hardwarevereisten::
Beveiligingsvereisten
Beveiliging is een essentieel onderdeel van het internet der dingen. Gezien de beveiligingsvereisten van het apparaat is het absoluut noodzakelijk in alle ontwikkelings- en ontwerpfasen. Zelfs bij het maken van prototypes, ervoor zorgen dat de veiligheid en integriteit van gegevens die door elk apparaat worden vastgelegd, intact blijven. Alle IoT-apparaten, hun netwerk, servicetoepassingen van websites, en mobiele telefoons passen de beveiligingsvereisten toe.
gemak van ontwikkeling
Gemak van ontwikkeling is een vereiste van hoge prioriteit bij prototyping. Het stelt de gebruiker in staat om het IoT-apparaat snel en efficiënt in gebruik te nemen bij het vastleggen van gegevens en het verbinden met andere apparaten en de cloud. Bij het inzetten van uw IoT-projecten, houd rekening met de kwaliteit van de API-documentatie, toegankelijkheid, en beschikbaarheid. Ook, overweeg de tools van ontwikkeling, en ondersteuning door de fabrikant van het apparaat of door het ontwikkelingsteam.
Data-acquisitie, verwerken, en opslagvereisten
Het aantal sensoren dat is verbonden met de resolutie van de vastgelegde gegevens en de bemonsteringssnelheid zijn de belangrijkste bepalende factoren voor het te verwerken gegevensvolume. Ze beïnvloeden ook de vereisten voor het opslaan en verwerken van gegevens.
Connectiviteitsvereisten
Draadloos netwerken heeft connectiviteitsvereisten zoals werkbereik, afstand die door het zendsignaal wordt afgelegd, en de voorspelde gegevens en het verzonden volume. Bij het controleren van de connectiviteitsvereisten van het apparaat, het is van vitaal belang om rekening te houden met de fouttolerantie, het opnieuw verbinden van het apparaat, en hoe lang het duurt voordat een apparaat opnieuw probeert gegevens te verzenden nadat de verbinding is verbroken.
Energiebehoeften
De stroomvereisten worden voornamelijk beïnvloed door de transmissiesnelheid van het netwerk en het aantal sensoren in het apparaat. Daarom, bij het implementeren van uw IoT-project, het is van essentieel belang om te overwegen of het apparaat een mobiele stroombron nodig heeft, zoals een supercondensator of een batterij, of bedraad is voor stroom. Ook, ken de grootte van de batterij, capaciteitsvereisten, gewicht, en als de batterij is opgeladen, vervangen, of weggegooid wanneer het sterft. Als de batterij oplaadbaar is, check met welke middelen en hoe vaak hij wordt opgeladen?
Vereisten voor fysiek apparaatontwerp
Ze omvatten de grootte en het fysieke uiterlijk van het hardwareapparaat. Bij het ontwerpen van een IoT-apparaat, het is essentieel om rekening te houden met de ecologische situaties waarin het apparaat zal worden geïnstalleerd. Bijvoorbeeld, overweeg of het apparaat een robuuste of waterdichte? Alle apparaten die aan de onderkant van een vrachtwagen zijn geïnstalleerd als onderdeel van een vlootbewakingstoepassing, moeten altijd worden beveiligd om ervoor te zorgen dat ze goed werken, zelfs onder zware omstandigheden. Het apparaat moet waterbestendig en ongevoelig zijn voor schokken, aarde, en trillingen.
Kostenvereisten
De kosten van de originele hardware en aanverwante componenten zoals sensoren zijn de belangrijkste bepalende factoren voor de prijs van de hardware. Andere componenten die de hardwarekosten bepalen, zijn onder meer de doorlopende bedrijfskosten, zoals de onderhouds- en stroomkosten. Ook, het is essentieel om na te denken over de redelijke licentiekosten voor de schijven en componenten van sommige apparaten. Het samenstellen van aangepaste borden is duurder dan het kopen van commercieel verkrijgbare kant-en-klare ontwikkelingsborden. Het is een verstandiger alternatief om hardware-apparaten te wijden bij het uitschalen in het IoT-netwerk met tal van instrumenten.
verwerkers
Gegevens worden verwerkt zodra de sensorgegevens deze vastleggen voordat de resultaten naar de cloud worden overgebracht. Dus, de hoeveelheid dataverwerking die nodig is om de volgende sensordata te creëren en de complexiteit van sensoren bepalen het verwerkingsniveau. Bijvoorbeeld, de temperatuurmeting is een eenvoudige illustratie van een gemiddelde van ingestelde waarden of een enkele gegevenswaarde in de loop van de tijd. Bovendien, een beveiligingscamera die geen digitale video kan opnemen zonder dat het algoritme voor scènedetectie een gebeurtenis markeert, kan complexer zijn.
Gebaseerd op de complexiteit en kracht die nodig is om gegevens te verwerken, vier IoT-hardwareverwerkingsklassen zijn vereist. Zij zijn;
PC-gebaseerde systemen
De pc-gebaseerde systemen zijn configureerbare platforms waarmee eenvoudig aangepaste systemen kunnen worden gemaakt door systeemintegrators van goedkope, typische processors, kant-en-klare moederborden, gevallen, en voedingen. Uitgebreide lokale gegevensopslagmogelijkheden worden voornamelijk geleverd door Solid-state drives (SSD's) of terabyte harde schijven.
Mobiele systemen
Mobiele systemen bevatten embedded systemen met een gespecialiseerde subset die is geoptimaliseerd voor smartphones en tablets. Alle mobiele systemen moeten regelmatig worden opgeladen omdat de apparaten op batterijen werken. Deze intrinsiek persoonlijke apparaten hebben geavanceerde systeemmogelijkheden voor energiebeheer om energie te besparen en de levensduur van de batterij van het apparaat te verlengen. Ook, mobiele systemen bieden verwerkingsmogelijkheden van hoge prestaties.
Microprocessor (MPU) Gebaseerde ingebedde systemen
Ze bieden een uitgebreid aanbod aan mogelijkheden en prestaties om aan de vereisten voor specifieke producten te voldoen. De vereisten zijn voornamelijk voor communicatiesystemen, consumentenelektronica, auto- en industriële besturingen, medische apparatuur, en andere verticale markttoepassingen.
Microcontroller (MCU) Gebaseerde ingebedde systemen
Deze systemen vereisen minimale verwerkingsbehoeften, en ze bieden oplossingen tegen lage kosten. niettemin, microcontrollers zijn geavanceerde implantaatspecifieke hardwaremodules om de verwerking van afbeeldingen en beveiligingsrollen te versnellen, zoals cryptografische versnelling voor het uitwisselen van publieke/private sleutels en True Random Number Generation (WIT).
IoT-hardwarearchitectuur
Microcontroller-eenheden kunnen worden gebruikt om de hardware-architectuur van het IoT-apparaat te construeren. De chipbronnen van het systeem, interfaces, en vermogen bepaalt de keuze van een microcontroller-eenheid. Sommige functies moeten worden verzameld om het IoT-hardwareontwerp te regelen. Deze functies helpen bij het finaliseren van het perfecte IoT-hardware-prototype en de prijs van de verplichte IoT-hardwarekit. Ze bevatten;
- Type actuatoren of sensoren
- Type communicatie-interface
- Hoeveelheid vastgelegde en verzonden gegevens
- Frequentie van gegevenstransport:
IoT-software-architectuur
De open-sourcecomponenten vormen de basis van de IoT-softwarearchitectuur. De afbeelding hierboven laat zien hoe de IoT-architectuur vaak wordt gebruikt in de meeste systemen. Linux hoeft geen genoegen te nemen met de beoogde IoT-hardware- en -softwareontwikkeling; vandaar dat het op grotere schaal wordt gebruikt.
Momenteel, de meeste bedrijven streven ernaar om IoT-frameworks klaar te maken voor gebruik in talloze gedetailleerde IoT-toepassingen. Het CoAP-protocol wordt voornamelijk gebruikt omdat het exclusief is voor toepassingen van het IoT. Het protocol biedt ook een standaardmechanisme dat koppelt aan IoT-apparaten.
Gemeenschappelijke IoT-hardwareplatforms
De essentiële componenten in Internet of Things-toepassingen zijn de IoT-hardwareplatforms. Deze apparaten kunnen u snel helpen bij het bouwen van uw doe-het-zelf-prototype of -project. Enkele van de meest voorkomende hardwareplatforms die worden gebruikt in IoT-ontwikkelingen zijn:;
- Raspberry Pi – Raspberry Pi is wijdverbreid als een kleine, goedkoop computerbord onder de technologiefanaten, experimentatoren, en opvoeders.
- Arduino (Oprecht) – Het is een open-source prototyping-platform op basis van software en hardware die gemakkelijk te gebruiken zijn.
- ESP8266 - Het sluit zich aan bij een 160 MHz-microcontroller met toegangs- en clientpunten volledige TCP/IP-stacks en wifi-front-end met DNS.
- Intel Edison – Dit kleine ontwikkelplatform beschikt over een 32 bytes Intel Quark-microcontroller met een Intel Atom-CPU.
- Intel Galileo - Dit op Intel gebaseerde architecturale AWS IoT-hardwareplatform is een softwarepakket en computerhardware pin-compatibel met schilden van Arduino bedoeld voor de Uno R3.
- BeagleBone - Deze open-hardware is eenvoudig te monteren, omdat het een kleine open-softwarecomputer is die kan worden aangesloten op allerlei items die thuis beschikbaar zijn.
- Banana Pi - Het is een computer met één bord die klein wil zijn, goedkoop, en flexibel genoeg voor dagelijks gebruik.
- NodeMCU Dev Kit - Alles in één bord integreert de PWM, ADC, 1-Draad, GPIO, en IIC omdat het is gebaseerd op de ESP8266 wifi-chip.
- Flutter – Flutter heeft een snelle ARM-processor, een IoT-hardwarebeveiligingschip aan boord, ingebouwde oplaadbatterijen, en solide draadloze communicatie over lange afstanden.
Open source is alomtegenwoordig in IoT-hardware
De meeste IoT-ontwikkelaars zijn bekend met het gebruik van open-source waarbij meer dan 91% van hen passen de open-source software toe, open data, of open hardware in meer dan één fragment van hun ontwikkelingsstack, waardoor het overtuigender wordt. Echter, minder dan 2 uit 10 IoT-ontwikkelaars vertrouwen meestal op de gepatenteerde technologie, en het is minder waarschijnlijk dat ze de open-sourceoptie aanpassen. Het gebruik van IoT-opensource-hardware is dominant bij de meeste IoT-hardwarebedrijven. Deze hoge gebruiksgraad blijft altijd behouden, ongeacht het motief van de ontwikkelaar, of om te leren, plezier, of geld.
Open source is de nieuwe standaardisatie
Het gebruik van standaardoplossingen levert dezelfde productiviteitswinst op als het gebruik van open standaarden. In aanvulling op, toepassingen van openbare standaarden in open bronnen helpen bij het oplossen van interoperabiliteitsproblemen, wat een kritiek probleem is in het opkomende internet der dingen. Het is van cruciaal belang om altijd rekening te houden met de verkorte opleidingskosten van nieuw personeel dat bekend is met de open-sourcetechnologie die u gebruikt. Dit is wat Google deed bij het uitbesteden van zijn MapReduce-technologie. Hoofdzakelijk, open-sourceoplossingen worden gebruikt in de Azure IoT-hardwareruimte.
Open source trekt ontwikkelaars aan
Open source heeft een enorm enthousiasme onder ontwikkelaars omdat ze subtieler omgaan met de propositiewaarden en standaarden die door de open source worden geboden. Meer dan 78% van de IoT-ontwikkelaars geeft er de voorkeur aan de open-sourcetechnologie in ten minste één ontwikkelingsgebied te gebruiken wanneer ze maar kunnen dan in alternatieven die superieur zijn aan propriëtaire. Wanneer een bedrijf een open source exploiteert en onderschrijft, ze signaleren een eersteklas technologie aan de ontwikkelaar in drie essentiële aspecten.
- In overeenstemming brengen met het ethos en de ethiek van de ontwikkelaar
- Benadrukt de waarde van uw oplossing en de ondersteuning van ontwikkelaars
- Shades de technologie als leading-edge
