近來我最喜歡的一件物聯網(IoT)新事物就是共用單車,大陸深圳馬路上能看到的四個品牌的單車我都安裝了應用程式(APP)。不僅僅是單車,物聯網在各個領域都給大家帶來了全新的體驗,把很多之前的無法想像都變成了可能,如停車找位/微信繳費、公共交通定位等,那些玩網際網路、傳統產業的想創新的人們都需要借助「電子技術」來實現。

於是這個領域誕生了很多新的、未經測試的產品概念——而且其市場前景也不確定。對於他們來說,獲得硬體開發資源是一大障礙。因此,使用能夠快速做出原型機、讓早期用戶接受試用的開發方法非常重要,應運而生的,就是各種各樣的開發板。

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這些有趣的創新,分別選用了什麼樣的開發板?

小型空氣品質監控網路空氣品質的監測是現在比較熱門的話題,不同的地區、不同的產業所需要監測的要求也不一樣。「我們在大陸有一個合作夥伴,提供各種氣體感測器。結合我們終端客戶的需求,我們建立了一個基於Faststart平台的小型空氣品質監控網路。該網路可以監控PM2.5、PM10、CO2、NO等,整個網路最多支援64個節點,節點間透過無線模組通訊,可以在現場快速部署,用於監控特定的區域或目標場所。」ADI亞太區工業自動化市場高級經理張鵬分享的這個有趣案例僅花了兩周時間就完成。

快速實現創意與產品差異化,有更簡單的方法

「各個行業對於感測器的需求差異化很大,所以在設計這個平台時就考慮到基於硬體開放的介面,客戶可以把各種各樣不同的感測器很方便地跟ADI的平台對接,用以解決感測器接入的多樣性問題。」張鵬表示。

˙智慧飲水機

這是香港一家公司開發的產品,基於DragonBoard來完成,桶裝水的供應商透過該平台將所有水的消耗情況連接到後方管理平台,提醒公司何時該進行採購。DragonBoard410c是款基於四核心、64位元能力Snapdragon 410處理器的開發板,封裝在一張信用卡大小的板上,還包括Wi-Fi、藍牙(BT)和GPS等。

這樣的配置不光能實現簡單的智慧控制,甚至還能實現人臉識別、手勢識別、電腦視覺、異構運算等對運算性能要求較高的應用。「在本地運算能力越來越高的情況下,我們看到一個趨勢,尤其是在視訊領域,以前都是在雲端依靠雲端運算實現,現在客戶把自己的部分經驗,從雲端轉移到了Edge。」艾睿(Arrow)亞太區供應商業務行銷副總裁黃漢基表示。

˙機器人

這樣的項目非常適合採用DragonBoard410c,該開發板支援ROS機器人作業系統,兼具低功耗,這樣開發者可以將更多電能用在傳動和控制功能上,而非消耗在系統和處理上。由於該開發板GPU足夠強大,能輕鬆應對視訊輪播、互動式廣告等,因此有些數位看板也是基於該開發板開發的。

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倚仗強大的處理能力,DragonBoard410c可以支援更多作業系統,如Linux、Android、Ubuntu Core,甚至是微軟(Microsoft)的Windows 10IoTCore,高通(Qualcomm)產品管理高級總監Tia Cassett指出。

˙四軸飛行器

很多創客/愛好者已經在用意法半導體(ST)的Nucleo板來設計四軸飛行器及3D印表機等新興應用,EDN China網站上曾有個四軸飛行器的專題瀏覽率持續一年都很高。2016年ST MCU開發板全球出貨量大概20多萬片。主要包括三種開發板,分別是Nucleo板、探索套件及全功能模擬板。同時包括Arduino在內的多種不同的擴展板可以使用,還提供BT、Wi-Fi和視聽應用的擴展板;也有軟體介面用於訪問Nucleo開發板的溫度和濕度感測器、壓力感測器、運動感測器及寫入和讀取RFID/NFC標籤。

從經銷商的角度,富昌電子中國區市場及業務發展總監Danny Chen認為,現有的平台各有特色,所關注的市場也不盡相同,「例如恩智浦(NXP)的NFC技術就更關注金融市場應用;ST透過去年收購AMS的NFC部門,豐富了在消費/工控之外的平台;Cypress的BLE/Wi-Fi則在智慧家居方面有更廣泛的應用。」

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但他們之間也有相同的特色,這點在平台的開放性上表現得尤為明顯,較符合物聯網長遠發展的趨勢。比如Cypress的Wi-Fi能在ST的平台上使用、也能在NXP的平台上使用;ST的MEMS在各個平台上也使用得非常廣泛,Chen指出。

性能/功耗/成本,誰更重要?

不同的產品,對性能、功能、功耗等方面的關注程度有所不同。

「對於上面提到的智慧飲水機,客戶對功能/性能就比較看重:是否能完成所需功能?閘道處理能力如何、能管理多少個節點等;而對於無線連接類的應用,對穩定性和成本關注度較高。」黃漢基表示。

不過,對於通用的連接型產品,多數客戶還是對成本關注比較高。例如在Wi-Fi領域,工程師較多喜歡的是性價比高的產品(如MTK的7681),WICED平台和高通的晶片也較受歡迎,TI的3200則因為成本的原因使用量較少。

垂直產業應用的狀況也很有趣,例如在ZigBee領域,開發板比較貴,且原廠的開發板比較複雜,做的人少。但是因為ZigBee針對燈具的應用很多,所以市場上有很多照明應用的演示板/功能板,開發者甚至加個外觀就可以直接當產品了。

對於處理器開發板來說,對成本的關注相對較弱,「就目前而言,傳統的通訊廠商在迅速進入智慧城市、智慧製造領域。這類專案對於功能性能的要求較為迫切。」張鵬認為。

也有受訪者表示很難說哪個最重要,需要依據專案需求和預算來定。「客觀來說,選擇跟我們合作的,都是對品質、性能、穩定性有較高要求的客戶,因為豐富的底層設計經驗和 優秀的生產/採購能力能說明客戶實現良好的品牌溢價。」英蓓特(Embest)市場經理聞靜透露,雖然有些客戶有成本控制,會折中選擇一些性能和功耗次優的平台,但如果非要選一個最看重的話,性能應該是首要因素。

嵌入式軟體、開發工具與雲端平台的輔助

協力廠商的嵌入式軟體在整個開發板的生態環境中扮演的角色不可或缺。

「針對感測器應用,軟體演算法合作夥伴可以提供針對手機或者可穿戴產品的運動演算法,包括感測器資料融合、運動狀態識別、上下文感知、室內導航等;針對音訊相關應用,可以提供各種格式音訊編解碼、雜訊消除、語音辨識等演算法;針對醫療健康應用,可以提供血壓心率等檢測演算法;針對無線應用,可以提供各種主流RF的協定棧等。」ST微控制器部市場經理任遠表示,「另外,我們合作夥伴還可以提供各種GUI解決方案、RTOS等供客戶選擇。」

WICED支援很多嵌入式的軟體如ThreadX、FreeRTOS、NuttX、FreeBSD等,Cypress亞太區物聯網市場應用總監楊學賢表示。

儘管有許多方法可以連接多個無線感測器,但連接到雲端仍然具有挑戰性。在空間、功率和成本,以及配置和管理所有感測器的同時,又要確保強大的安全性方面尤其如此。為了縮短開發週期,有些開發套件兼具感測器節點開發和雲端連接功能。開發人員無需就如何將雲端服務整合到最終使用者體驗中做出架構決策(包括系統將執行的操作及哪些操作會觸發設備的特定功能),即可使用這些「開箱即用」的套件相對較快地啟動並運行具有感測器功能的設計。

FastStart平台可以透過有線或無線方式接入到雲端,接入方式可以是專網,也可以是私網。「在專網方面我們現在跟一些有代表性的通訊公司和大客戶合作,把我們的平台透過MQTT/HTTP接進去。」張鵬表示,這個平台要解決的問題就是說明客戶在比較短的時間內,不用自己做板子或很多硬體控制的部分,拿著ADI的平台結合實際需求就能很快很靈活的完成多種感測器的整合和網路互聯互通,完成基於產業的初步驗證。

WICED不僅支持大陸多家雲端平台,也支持國際上的如AWS、iCloud、Bluemix、Google等。WICED還支持一些電信運營商、工業物聯網、醫療物聯網、車聯網等一些行業雲端平台。

硬體廠商們的開放做到哪一步了?

就開放硬體本身來看,開放產品所採用的量並不夠大,遠比行業關鍵客戶的採購量要小得多。但是,在新設計中用到的開放設計,可以帶來新的Design-in機會,所以晶片廠商/經銷商們積極地在佈局這種業務模式。

為了形成更好的用戶環境,半導體廠商們同時在努力試圖為自己的晶片/開發板打造一個開放的社區。例如WICED硬體開放社區資源包括如Wi-Fi、BT、BT/BLE組合晶片及Wi-Fi/BT/BLE組合晶片的入門指南、資料手冊、應用筆記、SDK等,還有物聯網熱門應用的參考設計。Cypress資深的工程師和WICED合作夥伴24小時在WICED社區論壇線上答疑。

高通則為開發者建立了一個龐大的用例庫,開發者可以提交自己的工程和程式碼,以相互啟發,激發靈感。

「我們內部的工程師團隊會說明客戶做一些專案方案的開發工作,並且開放,但前提條件是我們與客戶有簽署相關的協定來保障對方,這個是限於方案層面;如果是涉及到晶片層面的開放,我們會與晶片供應商溝通,針對具體的客戶和專案去談,這部分開放因為涉及到晶片底層的協定,則需要晶片廠商來支援。」Chen表示。

「例如我們針對智慧門鎖做了一套NXP的整體解決方案,包括指紋、密碼和NFC(即將加上BLE和Wi-Fi的部分),這個方案硬體的原理圖、佈局、軟體等都可根據客戶選擇是否全開放。」Chen指出。

Arduino介面及ST Morpho介面使使用者很容易擴展Nucleo板開發平台的功能,該平台整合了ST-LINK/V2-1調試器/程式設計器,與Nucleo板搭配的套裝軟體包含有眾多常式的STM32HAL軟體庫,在mbed線上平台上也能找到很多資源。

BeagleBone Black(BBB)和WaRP7算是比較典型的開放項目。「WaRP7是英蓓特和NXP、e絡盟(element14)聯合開發的一個專案,瞄準可穿戴和物聯網應用,採用NXP先進的多核心異質處理器i.MX 7Solo,在硬體上做過專門的硬體優化,高度整合Wi-Fi和BT、USB-OTG,以及NFC等功能模組;電源管理方面,採用專用電源管理晶片PF3001,並配有專用鋰電池充電,配有磁力-加速計、氣壓計、陀螺儀,支援多媒體,如音訊輸入輸出、攝影機和顯示功能。」聞靜指出。

BBB系列開發板去年的出貨量很可觀,僅BeagleBone Black Ver C及BeagleBone Black Industrial出貨量就高達16萬片,在工業控制、醫療器械、機器人、智慧家居等領域有著成熟的生態環境。

開發板給了足夠的資源,但開發及製造產品則需要在限定的成本、環境、體積等條件下實現同樣的功能。所以選擇開發板不僅僅要考慮功能的實現、成熟的合作夥伴/生態環境支援,對於擴展到成熟的商業發展也至關重要。