模块化物联网应用开发方式 - 第 1 部分：硬件选择

编者按：物联网应用促进了特别紧密的硬件与软件组件融合，要求开发人员考虑到各个领域的大量细节。本系列文章包含两个部分，将探讨采用模块化方法来简化这一融合的单一平台。第 1 部分介绍平台的硬件选项如何简化物联网设备的实现，而第 2 部分讨论平台的软件架构及其在加速物联网应用端到端开发方面的作用。

大规模物联网应用通常需要多种连接选项和软件服务才能实现最基本的功能。为了满足日渐严苛的要求，开发人员必须能从多个来源和工作环境组合出更多样的解决方案。

但是，满足每种解决方案的需求往往需要重新考虑开发方式。开发人员不仅要满足应用的基本要求，还要应对将不同的解决方案调和到一个无缝应用中所面临的挑战。使用 Samsung 的 ARTIK 平台，开发人员可以获得一种更简便的方法，将兼容的硬件模块和软件服务组合在单个统一的物联网应用开发和部署平台中。

物联网应用开发问题

对于开发人员来说，与物联网应用相关的诸多要求可能会令人生畏。传感器系统必须提供准确的信号调节和精确的数据转换，同时确保最小噪声和最大带宽。无线设备需要轻松地装入应用的现有通信基础设施中，从而提供足够的射频发射功率，同时降低总体功耗。

在更高层级，物联网设备需要通过中间主机（如智能手机）或通过本地网关设备实现有效的云连接。同时，开发人员必须确保端到端的安全措施能够缓解威胁，保护整个物联网信息链中任意链路上的物联网应用免受攻击。

当开发人员解决这些单独的问题领域时，他们可能会很容易变得缺乏辨别力：如果他们将重点放在每组垂直需求上，就会忽略应用的更广泛需求。这会使他们过分投入于可能偏离初衷的设计路线上。

像 Samsung ARTIK 解决方案这样的端到端平台，可通过提供一整套能轻松组合到完整的物联网应用的硬件和软件组件，帮助物联网开发人员避免一叶障目及其造成的后果。

统一的组件和服务平台

Samsung ARTIK 生态系统提供了一个统一的组件和服务平台，旨在解决整个物联网应用层级结构问题。在物联网层级结构的最低层，硬件模块支持高性能数据采集和信号处理，同时提供多个无线连接选项。

在较高层，ARTIK 云提供广泛的本地和第三方服务。贯穿整个平台，统一的安全模型为开发人员提供了一系列一致的服务，以确保只有授权设备、服务和用户才能访问底层资源或物联网应用本身。

集成模块

作为 ARTIK 生态系统的基础，一系列可互换的硬件模块为无线传感器节点和网关提供了直接替代型解决方案。例如，Samsung ARTIK 053 模块将 ARM^® Cortex^®-R4 处理器、存储器和外设接口与专用子系统相结合，以实现 Wi-Fi 连接和安全性。开发人员通过一整套串行接口和器件引脚（包括 GPIO、PWM、串行接口和一个转换率超过 1 M 次采样/秒的 4 通道 12 位模数转换器 (ADC)）访问模块子系统（图 1）。

图 1：与 ARTIK 系列中的其他模块一样，ARTIK 053 模块提供了完整的无线系统（包含处理器、存储器、接口和专用子系统），以实现安全性和无线连接。（图片来源：Samsung Semiconductor）

在其 ARTIK 模块中，Samsung 将多个专用系统（如通信和安全系统）组合在一个紧密集成的设计中，该设计围绕适合特定物联网设备类别的 ARM Cortex 处理器而构建。例如，053 模块旨在用作能够进行实时数据采集和控制的终端物联网节点。因此，053 模块使用 ARM Cortex-R4。这是 ARM Cortex-R 系列的最小成员之一，该系列专为低功耗的实时应用而设计。

ARM Cortex-R4 以 320 MHz 的频率运行，利用单独的指令和数据高速缓存，以最大限度地提高需要快速响应的设计的性能。与其他 ARTIK 模块一样，053 通过模块自带存储器扩展了处理器集成的存储器，在这种情况下，有 8 MB 闪存和 1280 KB RAM 可用于一般用途。

除了支持 Wi-Fi 的 053 模块以外，开发人员还可以找到其他可提供 053 类处理功能的 ARTIK 模块，但它们具有不同的无线连接选项。例如，ARTIK-020-AV2R 模块针对用于与智能手机和其他移动设备交互的物联网终端节点，提供完整的低功耗蓝牙子系统。

无论连接方式如何，设备层级结构中任何层级的任何物联网设备都需要支持稳健的安全策略，以便缓解物联网应用中存在的多种来源造成的威胁。Samsung 在其每个 ARTIK 模块中将端到端安全策略建立在基于硬件的安全机制基础之上。例如，053 模块集成了一个全面的安全子系统，其中包括加密引擎、真随机数发生器、安全密钥存储和受保护的执行环境。

053 模块还包括一个物理不可克隆功能 (PUF) 单元，它支持数字指纹，旨在防止伪造并防止可能由伪造设备产生的中间人攻击。

直接替代型解决方案

对于 053 和其他 ARTIK 模块的所有功能，开发人员都可以相对轻松地将这些全面实现的无线系统应用于设计中。ARTIK 053 模块需要几个额外组件来完成硬件接口。事实上，该模块的 GPIO 可以直接驱动高达 12 毫安 (mA) 的电流，而无需额外缓冲。在输入端，模块的 GPIO、I²C、SPI 和调试端口提供相对较高的阻抗输入，仅消耗 3 微安 (µA) 电流（最大值，无下拉电阻）。开发人员可以直接从电压源驱动模块的 ADC 通道，但是他们可能需要添加低噪声运算放大器来放大或衰减这些源信号，以匹配 ADC 的 0 至 1.8 伏特输入电压范围。

对于印刷电路板物理设计，工程师直接将 79 引脚 15 x 40 mm 模块焊接到目标电路板上，或焊接到位于模块和目标板之间的载板。由于内置有射频子系统，模块的定位至关重要。不过，Samsung 提供了详细的机械规格，用于在将 053 模块布置到电路板时优化射频性能（图 2）。

图 2：开发人员可以使用 Samsung 的原理图和设计方针（例如，用于确保在印刷电路板布局中获得最佳射频性能的走线建议）快速地将 ARTIK 模块集成到自己的设计中。（图片来源：Samsung Semiconductor）

在定制 PCB 设计和生产之前，开发人员可以使用相关的 ARTIK 开发套件根据这些模块来评估物联网设计。例如，ARTIK 053 入门套件 (SIP-KITNXF001) 开发板通过内插器板容纳 053 模块，并提供测试 LED、按钮、USB 连接、Arduino 盾板接口连接器和 I/O 分线连接器（图 3）。

图 3：开发人员可以使用将 053 模块与电源、IO 连接器、LED 和按钮结合在一起的 ARTIK 053 入门套件开发板，快速开始 ARTIK053 模块评估。（图片来源：Samsung Semiconductor）

在开发期间除了通过其 USB 接口为电路板供电以外，工程师还可以通过其 5 - 12 伏特直流电源插孔或 5.6 - 6.4 伏特外部电池连接分别为独立电路板供电。

对于硬件开发，Samsung 提供了完整的原理图和 BOM，让开发人员在其定制设计中先拔头筹。如前所述，该模块的硬件接口要求非常简单。原理图中指定的入门套件参考设计将未缓冲的数字信号从板连接器传递到该模块。对于 ADC 输入，原理图展示了如何使用简单的电阻网络来提供所需的电压源（图 4）。

图 4：ARTIK 053 入门套件原理图展示了 053 模块的简单接口要求，其中包括用于为模块的四个 ADC 输入通道提供电压源的基本电阻网络。（图片来源：Samsung Semiconductor）

物联网网关

Wi-Fi 053 和蓝牙 052 等模块为物联网终端节点设计提供了解决方案。然而，在更复杂的物联网层级结构中，物联网开发人员通常在终端节点上方的层中添加高性能处理节点。这些中间节点充当云的网关，通常在本地层聚合和预处理数据，确保终端节点之间具有短暂的延迟回路，或者在定期从云断开连接时缓冲终端节点。

Samsung 使用一系列模块解决了这些要求，这些模块基于功能越来越强大的 ARM Cortex-A 应用处理器。例如，ARTIK 520 模块 (SIP-005AYS001) 基于一个双核 32 位 ARM Cortex-A7 构建，ARTIK 530 (SIP-005AFS301) 提供一个四核 32 位 ARM Cortex A-9，ARTIK 710 (SIP-007AFS001) 提供一个八核 64 位 ARM Cortex A-53 处理器。由于其通用设计，开发人员可以混合搭配这些模块，以满足特定的处理负载和性能要求。

除了功率处理功能外，其中每个模块还提供了一系列稳固的外设和接口，用以满足网关设备的更广泛要求。例如，除了增加 ADC 和 GPIO 通道的数量外，ARTIK 530 还通过一个高达 1920 x 1080 @ 30 帧/秒 (fps) 的 4 通道 MIPI 摄像机接口、一个高达 1920 x 1080 @ 60 fps 的 4 通道 MIPI 显示器接口和两个音频 IO 通道提供用户接口支持。

随着外设支持的增强，ARTIK 520/530/710 模块可满足网关设计的另一个关键要求。物联网网关设备通常需要与各种物联网设备进行通信。因此，这些网关模块支持多种无线选项，包括 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、Thread 及以太网。

由于支持更广泛的网关设计要求，ARTIK 520/530/710 模块通常相应地需要更多的设计工作。然而，对于开发人员来说，Samsung 会通过提供相关开发板每个网关模块提供支持，这些开发板包括 ARTIK 520 套件 (SIP-KITNXB001)、530 套件 (SIP-KITNXD001) 和 710 套件 (SIP-KITNXE001)。除了每个套件的开发板外，Samsung 还提供完整的参考设计，包括原理图、BOM 和印刷电路板物理布局。

这些套件展示了更复杂的模块接口设计，以及开发人员可能需要的其他网关设备组件。与 053 内插器板和平台板的简单设计不同，这些套件包括支持网关模块扩展功能所需的重要零件清单。

例如，ARTIK 530 开发板添加了音频编解码器、USB 控制器、电池充电器和电量计，甚至是用于其他 GPIO 和 ADC 通道的 Microchip Technology ATMEGA48PB-M AVR MCU（图 5）。

图 5：ARTIK 530 开发板展示了一个复杂网关设备的设计——将 ARTIK 530 模块与外部 Microchip Technology ATMEGA48PB-M MCU、音频编解码器、以太网和 USB 组件以及电池管理电路结合在一起。（图片来源：Samsung Semiconductor）

与 053 开发板的简单设计不同，530 套件包括平台板、一个容纳 530 模块的内插器板和一个用于额外扩展的接口 (IF) 板。如果 053 内插器仅用作 053 模块的载板，那么 530 内插器板会直接支持 530 模块的大部分功能。因此，在将该模块集成到网关系统设计中时，530 内插器板起着更积极的作用，提供的功能如电平转换，以支持与不同设计组件关联的不同功率域。

开发套件和相关原理图展示了满足这些更广泛的接口要求所需的特定设计解决方案。例如，参考设计显示了设计人员如何集成 ON Semiconductor NLSX4373MUTAG 2 位和 NLSX5014MUTAG 4 位电平转换器，以便可靠地连接设计中的关键线路（图 6）。

图 6：开发人员可以利用 ARTIK 网关参考设计，获取使用现成的数字控制线路电平转换器连接 ARTIK 520/530/710 模块的详细信息。（图片来源：Samsung Semiconductor）

总结

在过去处理复杂的物联网应用要求时，开发人员别无选择，只能硬着头皮处理来自多个厂家的不同组件以及因此带来的集成挑战。然而，使用 ARTIK 生态系统后，开发人员可以将兼容的硬件模块结合在一起，从而满足物联网终端节点和网关中无线连接、功能和性能的特定要求。

为了提供完整的物联网设备解决方案，ARTIK 模块集成了实现物联网终端节点所需的所有组件，或为实现更复杂的网关设计提供了基础。有了 ARTIK 开发套件和原理图作为构建基础，开发人员能够快速实现可提供任何物联网应用硬件基础的设备。如第 2 部分所述，开发人员可以进一步利用 ARTIK 生态系统的软件架构，快速完成其物联网应用的端到端设计和实现。