מבוא: המהפכה הפתוחה-Source ב Embedded IoT Development

פרויקטים של רגישות Embedd Internet of Things (IoT) מאומנים היסטורית על ידי מערכות אקולוגיות חומרה קנייניות אשר נעולות מפתחים לפלטפורמות יקרות, ⁇ . במהלך העשור האחרון, העלייה של חומרה בקוד פתוח השתנתה באופן יסודי את הפרדיגמה הזו.על ידי ביצוע schematics, חיובים של פלטפורמות PCB פתוח, וקבצי פריסה זמינים באופן חופשי תחת רישיונות כגון CERN Open Lic או TAPR, כדי לאפשרות אבטחה מהירה, החוקרים, כדי לבדוק את הפחתת אפשרויות קוד פתוח, ולפתח, כדי לספקיחות, ולהפחית את הסוללות, ולהפחית את הסוללות, ללא מגבלות מהירות, ולהפחית את הגמישות, ולהפחית את ה-CERCERCERC.

מאמר זה מספק מחקר מקיף של פיתוח פלטפורמות חומרה קוד פתוח לפרויקטים משובצים של IoT.We תגדיר את מושגי הליבה, לבחון את היתרונות המוחשיים, לסקור את הפלטפורמות הפופולריות ביותר, לעבור דרך תהליך של תכנון החומרה שלך, לדון באתגרים מתמידים, ולבחון את המגמות המתעוררות כגון אדריכלות RISC-V ומסגרות אבטחה סטנדרטיות.

מה בדיוק Open-Source Hardware Platforms?

חומרה קוד פתוח מתייחסת למכשירים פיזיים - לוחות מיקרובקר, מחשבים בודדים, חיישנים, אקטוטורים, ונקודות קצה של IoT שלמות - שתיעוד העיצוב הזה נגיש לציבור ומוסמך באופן המאפשר לכל אחד ללמוד, לשנות, ולהפיץ מחדש את החומרה.בניגוד לפלטפורמות סגורות, שם המפתח מוגבל לשינויים שאושרו על ידי היצרן, קוד פתוח מעודד חיים קהילתיים מונעים על ידי ארגון פתוח (Red Freedoms) 4.

  • (ב) ,0) חופש להשתמש ב- 1 (החומרה)
  • (ב) ,0) חופש ללמוד את ה- 1:1 כיצד החומרה עובדת ולהתאים אותה לצרכים של האדם.
  • (ב) ,0) חופש להפיץ מחדש עותקים של קבצים עיצוב.
  • [ה] חופש לשיפור ה' 1 [ה] בחומרה ולשחרר את השיפורים בקהילה.

חירויות אלה מיושמות באמצעות רישיונות פתוחים שבדרך כלל מכסים קבצים סכימטיים, פריסות PCB, רשימות BOM, ולעתים קבצי CAD מכניים עבור מחסנים. companyingשחה ותוכנה כמעט תמיד מורשים תחת רישיון קוד פתוח כגון GPL, MIT, או Apache. השילוב של חומרה פתוחה ותוכנה פתוחה יוצר ערימה שקופה לחלוטין, אשר הוא בעל ערך במיוחד ביישומים שבהם אמינות, יכולת טיפולית, ניהול זמן רב, IoT, או טיפול ארוך.

מדוע קוד פתוח-מקור חומרה הוא משחק שינוי עבור IoT

פיתוח עלויות-אוויר

מכיוון שעיצובים משותפים, מפתחים יכולים למנף את הפריסה הקיימת, מוכחת ולא להתחיל מאפס.זה מקטין את שעות ההנדסה ומפחית את העלות של אבטיפוס.פלטפורמות קוד פתוח רבות מיוצרות בנפחים גבוהים, עוד נהיגה בעלויות יחידה.לדוגמה, צוותים מבוססי ESP32 תחת 5 דולר בכמות, אך מציע עיבוד כפול-core, Wi-Fi, Bluetooth, ועשירים לפי נפח כזה, אפילו ניתן לבנות מכשירים קטנים של חומרה, אפילו ללא חומרה.

התאמה לא מתאימה

בפרויקט IoT, מחוץ ללוחות ה-Shelf לעתים רחוקות להתאים את השילוב המדויק של חיישנים, קישוריות, תקציב חשמל וגורם צורה הנדרשת. Open-source חומרה מאפשר לך לבחור עיצוב הפניה, לשנות את ה- PCB כדי להוסיף או להסיר רכיבים ספציפיים, לייצר לוח מותאם לסביבת הפריסה שלך. לדוגמה, אם לוח Arduino סטנדרטי אינו מכיל קלטות אנלוגיות הדרושות עבור מערך החיישן שלך, באפשרותך להניח לוח מותאם אישית או להחליף מחדש של לוח הבקרה התעשייתית, לדוגמה, כולל לוח הבקרה החיצונית, או לטמפרטורה נמוכה.

קהילה וקהילות משותפות

קהילת הקוד הפתוח היא משאב עצום.פלטפורמות כמו Arduino ו- ESP32 יש פורומים נרחבים, GitHub repositories עם קוד דוגמה, וקבוצות Active Discord / Slack שבו מפתחים חולקים פתרונות באגים חומרה, בעיות הנהג, ואתגרי עיצוב.ידע קולקטיבי זה לעתים קרובות עולה על מה צוות התמיכה של הספק יחיד יכול לספק יותר, חברי הקהילה לתרום אינספור חיישנים, ערימה אלחוטית, מיקס (MTT, , , אינטגרציית IoT, אינטגרציה עם מישהו כבר אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, , אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, , אינטגרציית אינטגרטיבית, , אינטגרטיבית, , , אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, , אינטגרטיבית עם מישהו כבר אינטגרטיבית, אינטגרטיבית עם אינטגרטיבית עם אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית עם אינטגרטיבית עם אינטגרטיבית עם אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית עם אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרציית מחשבתית, אינטגרטיבית,

פשטות מהירה וההרסה

פלטפורמות חומרה בקוד פתוח מבוססות בדרך כלל על רכיבים מרכזיים עם לוחות פורצים זמינים.מפתח יכול ללחם הוכחה-of-תפיסה באמצעות לוח ה- Shelf כמו NodeMCU, לאמת את הרעיון, ולאחר מכן לעבור להתאמה אישית עם ביטחון. כי קבצי עיצוב פתוח, אתה יכול להזמין את הפריסה המדויקת של שירות ייצור כמו JLCPCB או Way בתוך ימים זה הוא מאפשר מחזורים חיוניים לפיתוח מהיר.

Open-Source Hardware Platforms for Embedded IoT

Arduino - The Pacesetter of Open-Source

Arduino נשאר האתר הפתוח ביותר של פלטפורמת המיקרו-בקר בקוד פתוח (ATmega328P) של Uno מבוסס האתר היה השער עבור מיליונים, אבל המערכת האקולוגית כוללת כעת את ARMx-M0, M4, ואפילו את סדרת הגרסאות המונעות של MIoT ל-NEPN 33 BLE.What Make Arduino הכרחית עבור IoT היא ספרייתה מסיבית, הפשטות של ה-Wi-DE ו-S, ו-ILDL, ל-S, עבור חיישנים מתקדמים, עבור חיישנים של N-Sams-R.

ESP8266 ו- ESP32 - Cost-Effective Wi-Fi Powerhouses

ה-PCP8266 (הופנה מהדף 2014) שיפר את הנוף החומרי של IoT על ידי הצעת קובץ Wi-Fi משולב לחלוטין של Wi-Fi SoC עבור תחת 3.3.D.source-source SDK ו-Reverse Development of Arduino הליבה של ESP8266 הפך אותו ל-Dyam של קהילת ה-R.com (R-D-D-R) אשר כוללת עיבוד כפול, Bluetooth/5.0, cc-IF) ו-R.

Raspberry Pi - לינוקס מלאה ל-IoT מורכב

בעוד Raspberry Pi הוא לעתים קרובות נחשב מחשב לוח יחיד לחינוך, התפקיד שלו ב-IoT הוא משמעותי. Raspberry Pi 4 מודל B (וחדש פי 5) פועל הפצה לינוקס מלאה, תומך ב- Docker מכולות, ויכול להתמודד עם משימות רב-עוצמה משאבים כגון ניתוח בסיס וידאו, מכונה עושה סודיות, ו-Data Hosting ב-PiLT, כולל מחשבת אחסון ב-Pipic Power-R.

BeagleBone ו- STM32 Nucleo - אפשרויות תעשייתיות-Grade

BeagleBone מציעה מחשב פתוח פתוח עם מובנה-in PRU (יחידות זמן אמתיות פתוחות) עבור I / O. זה מיועד עבור תעשייתי שבו שליטה בזמן אמת של מפתחי מנועים, פועלי אינטרנט וחיישנים הדרושים.BagleBone שחור טפסים תחת Creative Commons, ואת לוח הבקרה בזמן אמת על ידי לטווח ארוך של לינוקס-Bocnbnbnexocle של מערכת ההפעלה של Ixnbn-R.

עיצוב פלטפורמת Open-Source Hardware

יצירת עיצוב חומרה בקוד פתוח מותאם אישית היא תהליך מתגמל שנותן לך שליטה מלאה על יכולות של ה-IoT.

דרישות פרוייקט Define

התחל על ידי מסמך הדרישות התפקודיות: אילו חיישנים ישמשו (טמפרטורה, לחות, PIR, accelerometer), איזו קישוריות אלחוטית נדרשת (Wi-Fi, BLE, LoRa, Zigbee, NB-IoT), כיצד המכשיר יהיה מופעל (לוחמת עם לחץ, פומפאו, יצירת אנרגיה), וביצוע חישובי הכרחי (8bit לעומת סיביות, נוכחות של C2, גם לחץ דם, לחץ דם, לחץ דם, וכו '.

2.בחרה Core Components

בחר מיקרובקר או SoC העומד בדרישות שלך עם חדר ראש. אפשרויות ידידותיות בקוד פתוח פופולרי כוללות ESP32-S3, RP2040, STM32F4, או שבבי השבבים החדשים של RISC-V המבוססים על MCART או Bouffalo Lab BL602. Pair עם מודול רדיו מתאים אם לא משולב. for Memory, להבטיח מספיק פלאש עבור קושחה (טאה) מספיק עבור מתח של USB-S-Buff עבור מעבדים (O) או עבור IOLOC) או עבור מעבדים (OC) או עבור מעבדים (OC) או עבור מעבדים (OC) או עבור מעבדים (OC) או עבור שרת ההפעלה של IOC.com) או עבור ממשקי תיבות של IOcto (OC) או עבור מעבדים (OC) או עבור ממשק שרת ההפעלה עבור שרת ההפעלה עבור שרת ההפעלה עבור שרת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה עבור שרת ההפעלה עבור שרת ההפעלה עבור שרת ההפעלה עבור שרת USB (Obulow (OLOLOLOC.com (OLOC.com) או עבור IDOLOLOLOC.com) או עבור IDOLOC.

3 עיצוב Schematic

השתמש בכלי קוד פתוח של PCB-source EDA כגון KiCad (recommended) או EAGLE (עם רישיון חינם) ליצור את הסמל ואת טביעת הרגל עבור כל רכיב, או להשתמש בספריות סטנדרטיות מן הקהילה.חבר בזהירות מסילות חשמל, decoupling capacitors ליד כל סיכה כוח IC, סדרה התנגדות LEDs, למשוך מתנגדים עבור אוטובוסים פתוחים, הגנה ו dicaoptated עבור אותות תצוגה; עבור סמלים מרכזיים עבור אדסנסטור.

עיצוב PCB Layout

כביש הלוח תוך שמירה על שיטות הטובות ביותר: אנלוגיה נפרדת ודיגיטלית, לשמור על עקבות גבוהות (אנטנה, RF) קצר ועל השכבה העליונה עם מטוס קרקע מוצק מתחת, להימנע מ -90 מעלות, ולשמור על מרחק חיץ הולם למתח גבוה (אם זה הנוכחי) השתמש לפחות שני שכבות עבור עיצובים IoT; ארבע שכבות מועדות בעת שימוש בחבילות BGA או אוטובוסים מהירים כגון 2.0, בדיקה פשוטה של Cout) לאחר בדיקה ישירה של קבצים CDC (R).

5.ליצור ולשתף את מסמך התכנון

כדי להפוך את החומרה שלך באמת פתוח קוד, לפרסם את הפעולות הבאות על מאגר (GitHub, GitLab):

  • קובץ PDF ו-KCad Source Files (או EAGLE .sch/.brd).
  • קבצי גרבר ו-NC קידוח עבור ייצור.
  • ביל של חומרים (BOM) עם מספרי מניות וקישורים של ספקים.
  • ארכיון תגיות: Files (pick-and-place file if use SMT).
  • קוד מקור תוכן ומדריך מקבל.

בחר רישיון חומרה בקוד פתוח כגון CERN OHL v2 (במרץ או Weakly Reciprocal) או TAPR OHL. הוסף קובץ LICENSE ו-readME.md עם תגמול הולם.The Open Source Hardware Association מציע תוכנית הסמכה המעניקה את השימוש של הלוגו של OSHWA, הגדלת האמון וההסברהת.

6. Prototype, Test, and Iterate

הזמנת ערכת PCB קטנה של רכיבי (בדרך כלל 5-10 חתיכות) משירות אבטיפוס בעלות נמוכה. Hand-solder את הרכיבים או להשתמש stencil עבור פסטה ותנור זרימה. Test כל בלוק פונקציונלי בנפרד: מתח אספקת חשמל, מחזורי שעון, מחזורי תכנות באמצעות USB, I2C קורא, רדיו / RX, ו- ADC להקליט בעיות כגון רעש מוגזם, לחץ, לחץ על ידי מחזורי שעון, או עיבוד חשמל יציב.

אתגרים ב-Open-Source Hardware for IoT

המונחים: Complexity

בחירת הרישיון הלא נכון יכולה למנוע שימוש מסחרי או נגזרות כוח בלתי נמנע כדי להישאר פתוחה. CERN OHL v2 מציע שלוש גרסאות: הדדיות חלשות (עבור ספריות), הדדיות חזקה (עבור לוחות שלמים), ו- Permissive. Developers חייב להבין את ההשלכות.בנוסף, ערבוב חומרה עם GPL מורשה יכול ליצור "ניהולי" ambiity" (עבור לוחות שלמים), ו-Remissiveal) הוא צורך במתן מענה מקצועי.

איכות ושקיפות

מכיוון שעיצוב קוד פתוח יכול להיות מוטבע על ידי כל יצרן, בקרת איכות תלויה ביכולות היצרן. עיצוב שעובד היטב על לוח מ JLCPCB עם ENIG סיום עשוי להתנהג אחרת על לוח ממקור שני באמצעות גורם שני באמצעות HASL ללא מוביל. Components גם לצאת מערכת מניות; שמירה על רשימות ספקים מרובים מאושרות ב BOM היא קריטית עבור resilience.

פשטות והתאמה

מערכת האקולוגית של קוד פתוח מפורצת.בעוד Arduino ו- Raspberry Pi הקימו גורמים, עיצובים מותאמים אישית רבים הם ייחודיים, יצירת מגן או תוספת של תאימות קשה. for IoT, זה אומר כי מגן חיישן המיועד עבור ESP32 דירקטוריון עשוי לא להתאים פיזית לוח מותאם אישית אפילו אם ה-S pins מתאימים מבחינה חשמלית.

שיקולים ביטחוניים

חומרה קוד פתוח היא לעתים קרובות סקרנית עבור אבטחה כי העיצוב גלוי לתוקפים.עם זאת, שקיפות יכולה גם להיות כוח: חוקרי אבטחה יכולים לבדוק את העיצוב עבור דלתות אחוריות, והקהילה יכולה לתקן פרצות במהירות. עבור מוצרים IoT העוסקים בנתונים רגישים, ליישם אמצעי אבטחה כגון שבבים מאובטחים (ATECC608A), הצפנה ומאובטחת מדיניות אבטחה ולעודד את תהליך אבטחת המידע #cide; כמו תהליך חומרה חשוב ואבטחה; כמו מערכת העיכול עצמה.

כיוונים עתידיים בקוד פתוח-Source Hardware for IoT

RISC-V בא מעידן

RISC-V הוא ארכיטקטורת קוד פתוח (ISA) אשר צוברת במהירות אימוץ במכשירי IoT משובצים ו-IoT. Chips כמו המעבדה בוטו BL602/618 (RISC-V + Wi-Fi/BLE) ו- Si Five Hi Five1 לספק ביצועים תחרותיים עם רשתות כלי פתוח לחלוטין.

מסגרת אבטחת IoT סטנדרטית

יוזמות כמו פרויקט סיליקון אמין -M עבור ARM Cortex-M ו- OpenTitan פתוח קוד פתוח-מקור-בסיס של אמון פרויקטים הופכים את אבטחת המידע לנגישה.פלטפורמות קוד פתוח בעתיד סביר לשלב את המודולים האלה, לספק סודות מחווטים קשיחים, רפיח נמדד, ו ⁇ מאובטח.זה יגדיל את אבטחת הבסיס של מכשירים פתוחים-מקור ולהפוך אותם לקיום מעשי עבור פריסות אינטרנטיות בתחום הבריאות החכם, מבנים תעשייתיים, בקרה תעשייתית, חכמה, בקרה תעשייתית, ובקרת תעשייתית.

AI ב- Edge

חומרה קוד פתוח מאפשרת גם קצה AI. Arduino Nicla Vision, ESP32-S3 עם הרחבות וקטורת וקטורת K210 (RISC-V עם מאיץ רשת עצבית) לאפשר הפעלת מודלים זעירים של ML (TensorFlow Lite Micro, Edgeulse) על חומרה פתוחה.

מסקנה

פלטפורמות חומרה בקוד פתוח עברו מסקרנות התחביבית לקרן הזרם המרכזי לפיתוח IoT משובצים.הם מורידים באופן דרמטי את עלות הכניסה, מספקים גמישות לא-מתאמת להתאמה אישית, ובונים על האינטליגנציה הקולקטיבית של קהילה גלובלית.על ידי מעקב אחר תהליך עיצוב מובנה - החל מדרישות ברורות לתיעוד משותף - כל מפתח או צוות יכול ליצור פלטפורמת חומרה קוד פתוח משלהם המשמשת כמחסן בנייה למגוון רחב של יישומים IoT.

האתגרים של רישוי, איכות, פיצול וביטחון הם אמיתיים אך ניתנים לניהול עם תכנון קפדני ומעורבות עם הקהילה.כאשר המערכת האקולוגית גדלה, הסטנדרטים יתחזקו, RISC-V יידחו את המונופול של ARM, ומסגרות אבטחה יהפכו ל- Plug-and-play. עבור אלה מוכנים להשקיע את הזמן, פיתוח חומרה קוד פתוח הוא לא רק תרגיל טכני; זו דרך להפוך את הטכנולוגיה ולקדם עולם פתוח יותר.

קח את הצעד הראשון היום: להוריד את קיקלד, לנסח את הצומת של ה-IoT שלך, ולפרסם אותו תחת רישיון פתוח.ה פריצת הדרך הבאה ב-IoT משובצ עשוי לבוא מהעיצוב שלך.