Acelerar el desarrollo de la IoT inalámbrica con una plataforma multinúcleo Linux incorporada disponible en el mercado

Las aplicaciones avanzadas de la Internet de las cosas (IoT) en los ámbitos industrial, médico, de transporte y agrícola exigen diseños de sistemas incorporados más complejos. En tales situaciones, los desarrolladores no han tenido más remedio que construir placas personalizadas para satisfacer los requisitos de rendimiento, conectividad y periféricos, a pesar de tener que hacer frente a calendarios más ajustados y presupuestos cada vez más reducidos. Aunque se dispone de tableros estándar, el rendimiento, la potencia, el tamaño, el factor de forma y la combinación de características impidieron su uso.

Sin embargo, en una era de IoT ubicua y de IoT industrial (IIoT), incluso los equipos de desarrollo personalizado más productivos se han visto retrasados por los requisitos de certificación regional para los subsistemas inalámbricos que han ralentizado la entrega y erosionado las oportunidades de mercado.

Este artículo analiza el problema de la marca frente a la compra de tarjetas integradas con tecnología inalámbrica. A continuación, introduce una plataforma de desarrollo llave en mano de Digi que proporciona un entorno de software completo y una plataforma de hardware optimizada con módulos inalámbricos precertificados. El artículo muestra cómo el kit puede ser utilizado para ayudar a los desarrolladores a entregar rápida y fácilmente soluciones de sistemas integrados conectados más potentes.

Hacer vs comprar para el desarrollo de la placa integrada

Para los desarrolladores de sistemas integrados, las expectativas de los usuarios finales y la presión de la competencia siguen impulsando la demanda de productos con mayor funcionalidad que se ofrecen en plazos cada vez más cortos de comercialización. Los usuarios insisten en sistemas que son más sencillos de conectar, usar y mantener. Como resultado, los desarrolladores se enfrentan a retos cada vez mayores en varios frentes. En cuanto a la conectividad inalámbrica, las soluciones inalámbricas de corto y largo alcance conllevan requisitos asociados para la certificación de sus diseños; la aplicación de capacidades de visualización adecuadas añade complejidad y costo al diseño; y garantizar la fiabilidad continua y la disponibilidad a largo plazo de estos sistemas desafía a los desarrolladores a encontrar soluciones capaces de soportar condiciones duras y también de permanecer disponibles durante los ciclos de vida prolongados que a menudo se encuentran en las aplicaciones industriales o médicas.

Para algunas aplicaciones, una solución adecuada depende fundamentalmente de los enfoques de diseño personalizados para optimizar cada subsistema a fin de cumplir los requisitos. Sin embargo, cada vez más, las soluciones de diseño comercial ofrecen una plataforma que puede ampliarse fácilmente para apoyar los requisitos singulares de una amplia gama de ámbitos de aplicación. Sin embargo, los equipos de desarrollo a veces abordan la decisión de construir soluciones personalizadas frente a la compra de sistemas prefabricados puramente en términos de costo de desarrollo, calculando que construir un diseño personalizado desde el principio costará menos que comprar un diseño prefabricado.

De hecho, los equipos de desarrollo pueden comprobar que otras consideraciones, como la certificación de la tecnología inalámbrica, la disponibilidad, la capacidad de mantenimiento y otras cuestiones relacionadas con el ciclo de vida, pueden aumentar el costo general. En un mercado que evoluciona rápidamente, la demora necesaria para implementar un diseño personalizado puede erosionar aún más la cuota de mercado y el tiempo para obtener ingresos, limitando en última instancia la rentabilidad de un nuevo producto.

Para abordar estas cuestiones, el kit de desarrollo CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano de Digi ofrece una alternativa eficaz al desarrollo personalizado, proporcionando una plataforma llave en mano capaz de cumplir los requisitos de rendimiento y coste en una amplia gama de aplicaciones (Figura 1).

Figura 1: El kit de desarrollo CC-WMX8MN ConnectCore 8M Nano de Digi proporciona todo lo necesario para comenzar a desarrollar sistemas conectados capaces de satisfacer los crecientes requisitos de diseño de HMI, procesamiento de audio/video, computación de borde y aprendizaje de máquinas. (Fuente de la imagen: Digi)

Cómo una solución llave en mano aborda diversos requisitos funcionales

El kit de desarrollo CC-WMX8MN-KIT ConnectCore 8M Nano de Digi proporciona una completa plataforma de hardware diseñada para reducir el tiempo de desarrollo y el tiempo de comercialización de los sistemas. Con este kit, los desarrolladores pueden implementar fácilmente sistemas que se escalan para soportar aplicaciones tan variadas como el diseño de la interfaz hombre-máquina (HMI), el procesamiento de audio/video, la computación de borde, el aprendizaje de la máquina y más. Junto con la placa de desarrollo ConnectCore 8M Nano de Digi, el kit incluye una antena de doble banda, un cable de puerto de consola y una fuente de alimentación para que los desarrolladores puedan empezar inmediatamente a crear aplicaciones conectadas.

Al igual que otros kits de desarrollo CoreConnect de Digi, el kit de desarrollo ConnectCore 8M Nano aprovecha las soluciones altamente integradas de sistema-en-módulo (SoM) de Digi. Basado en los miembros de la familia de procesadores i.MX de NXP Semiconductor, los SOM ConnectCore de Digi integran capacidades para multimedia, seguridad, conectividad por cable y conectividad inalámbrica precertificada, entre otras características requeridas para las típicas aplicaciones integradas. Utilizados en combinación con un amplio entorno de software, estos SoM simplifican el desarrollo de sistemas incorporados, permitiendo a los fabricantes de productos ofrecer productos más sofisticados con mayor rapidez y menor riesgo de lo que normalmente es posible con enfoques de hardware personalizado.

Para el kit de desarrollo CC-WMX8MN-KIT, un SOM de Digi combina las capacidades del procesador i.MX 8M Nano de NXP basado en núcleos cuádruples Arm®Cortex®-A53 y Arm Cortex-M7 con una memoria Flash de hasta 8 gigabytes (GB), una memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) de bajo consumo y doble velocidad de datos (LPDDR) de hasta 1 GB, y una serie de subsistemas adicionales (Figura 2).

Figura 2: Basado en el procesador multinúcleo i.MX 8M Nano de NXP, un SoM de Digi integra la memoria, las opciones de conectividad, la seguridad y las capacidades de administración de energía requeridas en los típicos diseños de sistemas empotrados. (Fuente de la imagen: Digi)

Entre sus subsistemas, el SoM integra un dispositivo de seguridad de la familia CryptoAuthentication de Microchip Technology que complementa las características de seguridad de la TrustZone de los núcleos Arm Cortex-A53. El dispositivo de criptoautenticación combina un procesador criptográfico dedicado, un generador de números aleatorios de alta calidad y un almacenamiento de claves protegidas para realizar una ejecución segura de alta velocidad de los algoritmos hash y de infraestructura de clave pública (PKI).

Las opciones de conectividad incorporadas del SoM son compatibles con Gigabit Ethernet (GbE), así como con Wi-Fi 802.11 a/b/g/n/ac y Bluetooth 5 precertificados. Para cumplir los requisitos de redes de área amplia, los desarrolladores pueden agregar opciones de conectividad celular y de otro tipo simplemente conectando losMódulos celulares XBEE de Digi al conjunto de conectores compatibles con XBEE de la placa CC-WMX8MN-KIT.

Junto con un conjunto completo de interfaces periféricas estándar, el SoM soporta múltiples interfaces multimedia para audio, cámara y pantallas. Una unidad de procesamiento de gráficos integrada y un controlador de interfaz de pantalla de cristal líquido (LCDIF) permite a los desarrolladores añadir fácilmente un panel LCD opcional como el CC-ACC-LCDW-10 de Digi y comenzar rápidamente a crear diseños de HMI para sus aplicaciones integradas.

Gestionar la potencia en los diseños basados en procesadores avanzados

La gestión de la energía en un sistema integrado complejo puede ser un desafío significativo, particularmente cuando el diseño de un sistema integra un procesador avanzado como el NXP i.MX 8M Nano. Al igual que otros procesadores de esta clase, el NXP i.MX 8M Nano agrupa sus muchos subsistemas distintos en dominios de potencia separados para sus procesadores centrales (VDD_ARM y VDD_SOC), GPU (VDD_GPU), memoria (VDD_DRAM, NVCC_DRAM), almacenamiento seguro no volátil (NVCC_SNVS_1P8, VDDD_SNVS_0P8), y varios más. Los desarrolladores no solo necesitan proporcionar rieles de energía apropiados para cada dominio, sino también suministrar (y retirar) energía a cada dominio en una secuencia temporal específica (Figura 3).

Figura 3: Como la mayoría de los procesadores avanzados, el NXP i.MX 8M Nano divide sus subsistemas en dominios de energía separados que necesitan que sus rieles individuales de suministro de voltaje se enciendan en una secuencia específica en el arranque. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductor)

De hecho, el SOM ConnectCore i.MX 8M Nano de Digi solo requiere dos entradas de alimentación y utiliza CI de administración de alimentación BD71850MWV de ROHM Semiconductor para suministrar los múltiples niveles de tensión de alimentación requeridos por el procesador i.MX 8M Nano y otros dispositivos. Diseñado específicamente para soportar el procesador NXP i.MX 8M Nano, el ROHM BD71850MWV integra múltiples reguladores buck y reguladores de baja caída (LDO) para entregar un juego completo de rieles de energía desde una fuente primaria VSYS de 5 voltios (Figura 4).

Figura 4: Diseñado específicamente para suministrar el procesador NXP i.MX 8M Nano, el PMIC ROHM BD71850MWV proporciona un conjunto completo de rieles de energía requeridos por el procesador, así como otros dispositivos en un diseño típico de sistema embebido. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor).

Aunque el BD71850MWV gestiona las secuencias detalladas de encendido y apagado necesarias para el procesador, Digi añade un nivel adicional de control diseñado para optimizar el consumo de energía global y mantener la fiabilidad del sistema. Integrado en el SoM, el Digi Microcontroller Assist (MCA) utiliza un microcontrolador NXP Kinetis KL17 MKL17Z64VDA4 dedicado para la gestión de la energía a nivel de sistema. Basado en el núcleo de ultrabaja potencia Arm Cortex-M0+, el MCU Kinetis KL17 de NXP consume solo 46 microamperios (μA) por megahercio (MHz) en modo de funcionamiento de muy baja potencia y 1.68 μA en modo de parada, donde mantiene la memoria y la función de reloj en tiempo real (RTC).

Diseñado para permanecer activo incluso cuando el sistema está en modo de suspensión, el MCA ejecuta un firmware actualizable que se ejecuta en el MCU KL17 para proporcionar varias opciones para despertar el procesador del sistema i.MX 8M Nano de NXP. Por ejemplo, Digi establece una configuración predeterminada que desactiva la RTC del procesador del sistema en favor de la funcionalidad RTC de menor potencia implementada en el firmware de MCA. Los desarrolladores pueden utilizar el convertidor analógico a digital (ADC) de 12 bits de la MCA para monitorear eventos externos y generar una interrupción para despertar al procesador del sistema sólo cuando sea necesario. Por el contrario, el firmware de la MCA implementa tres controladores de modulación de ancho de pulso multicanal (PWM) para operaciones externas. Para ayudar a garantizar la fiabilidad general del sistema, el firmware de la MCA también proporciona una funcionalidad de temporizador de vigilancia que restablece todo el sistema o solo el procesador del sistema si el software que se ejecuta en ese procesador se cuelga, o no realiza el mantenimiento habitual del temporizador de vigilancia durante la ejecución normal del software.

En el arranque del sistema, el MCA comienza a funcionar tan pronto como recibe energía. Después de un retraso programable, el MCA a su vez pone en marcha el PMIC BD71850MWV, que ejecuta la secuencia de encendido del Nano i.MX 8M descrita anteriormente. El restablecimiento del sistema o la transición de los estados de sueño de baja potencia funcionan de manera muy parecida a la coordinación de la restauración de la potencia de la MCA con el PMIC y el procesador.

Un entorno de software Linux integrado listo para la producción

El kit de desarrollo CC-WMX8MN-KIT de Digi utiliza su extensa base de hardware para proporcionar un entorno de software listo para la producción que ejecuta el Digi Embedded Yocto (DEY) de código abierto. Basándose en la popular distribución Linux incorporada del Proyecto Yocto, el DEY amplía esa distribución base con capacidades adicionales del paquete de soporte de la placa (BSP) diseñadas específicamente para soportar la plataforma de hardware Digi (Figura 5).

Figura 5: El Digi Embedded Yocto extiende la línea base de la distribución del Proyecto Yocto Linux con extensiones del paquete de soporte de la placa (BSP) para el hardware de Digi. (Fuente de la imagen: Digi)

Entre las extensiones BSP del núcleo de Linux, TrustFence de Digi proporciona un marco de seguridad para los dispositivos de Linux. Utilizando sus capacidades de autenticación y gestión de identidad, los servicios de TrustFence se extienden desde el control de acceso de bajo nivel de los puertos de E/S internos y externos hasta el soporte de alto nivel para conexiones de red seguras y arranque seguro utilizando imágenes de firmware validadas. Aunque no está inicialmente soportado en el módulo Nano de ConnectCore 8M, Digi TrustZone estará disponible en una futura versión de DEY.

Además de emplear la seguridad y la gestión a nivel de cada dispositivo, las aplicaciones de IoT a gran escala necesitan inevitablemente la capacidad de supervisar y gestionar flotas de dispositivos de IoT. Para apoyar estos requisitos, Digi Remote Manager proporciona un servicio basado en la nube diseñado para apoyar la supervisión del estado de los dispositivos, la gestión de la configuración y las actualizaciones del firmware. Mediante una aplicación móvil o un software de escritorio, los desarrolladores pueden utilizar el Digi Remote Manager para mostrar detalles de las operaciones de la flota de dispositivos, incluyendo la salud de la flota, las alertas, el estado de la conexión y la intensidad de la señal (Figura 6).

Figura 6: El servicio basado en la nube Digi Remote Manager permite a los desarrolladores monitorear y administrar implementaciones de IoT a gran escala desde su escritorio o dispositivo móvil. (Fuente de la imagen: Digi)

Además de sus capacidades de supervisión, Digi Remote Manager permite a los desarrolladores gestionar más activamente los datos, las conexiones y el software de los dispositivos de forma interactiva mediante la línea de comandos o de forma programada mediante las interfaces de programación de aplicaciones (API) del servicio. Utilizando estas capacidades, los desarrolladores pueden reiniciar los dispositivos y cargar archivos, realizando fácilmente actualizaciones masivas de firmware y software para toda la flota que se requieren con los típicos dispositivos conectados, pero que a menudo suponen un reto logístico en las implementaciones a gran escala.

Conclusión:

La demanda de aplicaciones más sofisticadas en los segmentos de mercado industrial, médico, de transporte y agrícola impulsa los requisitos para el diseño de sistemas incorporados más complejos orientados a la IoT. Los requisitos de certificación regional para los subsistemas inalámbricos asociados también han complicado las cosas y retrasado los diseños.

Para abordar los problemas, un kit de desarrollo de Digi proporciona un entorno de software completo y una plataforma de hardware optimizada con módulos inalámbricos precertificados. Como se muestra, el kit permite a los desarrolladores ofrecer más fácil y rápidamente potentes soluciones de sistemas integrados conectados.