Подключение к Интернету Вещей: Аппаратные платформы

Развитие рынка информационных технологий привело к развитию концепции Интернета вещей (Internet of things). Принцип IoT подразумевает создание сети различных устройств, которые умеют взаимодействовать друг с другом или с внешней средой. Желание многих пользователей перейти от роли потребителя к роли создателя подтолкнуло некоторых производителей к созданию доступных, свободно программируемых платформ. Как оказалось, данные решения способны справиться с самыми различными задачами – от создания автономных интерактивных объектов до решения инфраструктурных задач.

Давайте посмотрим, что же собой представляют наиболее популярные IoT-платформы, с которых стоит начать знакомство новичку-энтузиасту, увлеченному технологией Интернета вещей. Кроме того, мы расскажем о перспективах облачных решений и появившейся в этом году ОС Windows 10 IoT, которая как нельзя лучше подходит для работы с «общительными» устройствами.

Arduino: начало начал

Платформа Arduino, созданная одноименной компанией в 2005 году, представляет собой решение для прототипирования с открытым исходным кодом, гибким программным обеспечением и аппаратными средствами, которые позволяют легко использовать ее даже новичкам.

Arduino способен в буквальном смысле ощущать окружающую среду, получая от различных внешних датчиков исходные данные, а также взаимодействовать с другими элементами, контролируя различные осветительные приборы, двигатели и другие приводы. На плате находится микроконтроллер, управление которым осуществляется с помощью языков программирования Arduino.

Проекты, построенные на этой платформе, могут быть полностью автономными, а могут «общаться» с различным программным обеспечением, установленным на компьютере. Интегрированная среда разработки (IDE), представляющая собой полностью открытый исходный код, работает одинаково хорошо на компьютерах под управлением Мac, Linux и Windows. IDE построена на базе языка программирования Processing и будто специально разработана для новичков и всяческих экспериментов. Кроме того, данный язык применяется для создания визуализаций и благодаря платформе Java Virtual Machine может создавать интерактивные программы с отображением анимации и выводом изображений.

Подытожив вышесказанное, отметим, что этот язык был разработан для изучения базового уровня компьютерного программирования в визуальном контексте, он является открытым проектом, полностью бесплатен, с доступным для всех желающих исходным кодом. По сути, все программы пишутся на основе C/C++, а собираются и компилируются с помощью avr-gcc (в Windows версии — WinAVR).

Возможно, основной причиной успеха Arduino является наличие аналого-цифрового входа, с помощью которого можно подсоединить разнообразные датчики: света, температуры, звука. Также можно использовать цифровые датчики SPI либо I2C, что позволяет платформе «покрыть» 99% рынка данных дополнений.

Следует помнить, что Arduino – это микроконтроллер (в основном, используется 8-битный микроконтроллер ATmega), а не мини-компьютер. В связи с этим его возможности ограничены. В то же время Arduino отлично подойдет начинающим конструкторам для моделирования своих проектов. А еще он имеет огромное сообщество пользователей, учебников и разнообразных примеров проектов и обеспечивает отличное взаимодействие с внешним оборудованием.

iPhone научили сортировать M&Ms по цвету

Как разобрать M&Ms по цвету? Можно посадить Золушку перебирать конфетки, можно создать Minecraft, продать его Microsoft и купить особняк со специальной конфетной комнатой, а можно просто создать робота на основе iPhone 5S, который будет делать это. Конечно, одним смартфоном не обойтись – еще нужен компьютер с Arduino и сервоприводы, но основная задача распознавания конфет по цвету ложится, конечно, на iPhone. Единственная незадача – если вы любите коричневые M&Ms, то пока цифровая камера не может их различить. Соорудить такой же сортировщик вы можете сами, автор проекта выложил подробную инструкцию по сборке и код тут.

Raspberry Pi: малиновый идеал

Raspberry Pi — одноплатный компьютер размером с банковскую карту, изначально разработанный как бюджетная система для обучения информатике, впоследствии получивший намного более широкое применение и популярность, чем ожидали его авторы.

Компьютер выпускается уже четыре года и с тех пор компания продала более 8 миллионов различных вариантов. Последняя версия — Raspberry Pi 3. Это первый 64-битный компьютер со встроенной Wi-Fi и Bluetooth связью. По данным директора Raspberry Pi Foundation Эбена Аптона, на создание третьей версии ушло около года. Внутри это 64-битный 4-ядерный 1.2 ГГц процессор ARM Cortex A53, 1 Гб оперативной памяти, графика VideoCore IV, Bluetooth 4.1 и 802.11n Wi-Fi. Как говорят разработчики, новая архитектура позволяет достичь прироста производительности по сравнению с Raspberry Pi 2 до 50% на той же частоте. Стоит Raspberry Pi 3 по-прежнему 35 долларов (есть также минималистичная модель Raspberry Pi Zero стоимостью всего пять долларов).

Одной из самых интересных особенностей Raspberry Pi является наличие портов GPIO. GPIO (General Purpose Input-Output) — это низкоуровневый интерфейс прямого управления портами ввода-вывода. На Raspberry он представлен в виде 40-штырькового разъема. С помощью специально написанных программ пользователь может управлять устройствами, подключенными к этому разъему. При чем это может быть как обычный светодиод, так и сложная система, например «умный дом» или робот.

Raspberry Pi работает в основном на операционных системах, основанных на Linux ядре (в том числе и Android). Запуск Windows возможен благодаря средствам виртуализации таким, как XenDesktop.

Чтобы собрать приложение на своём стационарном компьютере для Raspberry Pi, нужно скачать и настроить специальный инструментарий, который включает в себя ARM-компилятор и некоторые библиотеки, скомпилированные для целевой ARM-платформы (например glibc).

Intel Galileo: верный соратник Arduino

В октябре 2013 года свою первую версию микрокомпьютера представила корпорация Intel. Intel Galileo являет собой высоко интегрированную плату, которая по размеру лишь немного превосходит стандартную кредитную карту. На борту решения от Intel разместились процессор Intel Quark X1000 с частотой 400 МГц, материнская плата, которая комплектуется флэш-памятью объёмом 8 Мб и оперативной памятью 256 Мб. Также имеется порт VLAN с пропускной способностью 100 Мб, разъём micro-SD, слот mini PCI express, порты RS 232, USB 2.0 с возможностью подключения около 128 (!) устройств. Платформа работает под управлением облегчённой версии Linux, а также поддерживает стандартную среду разработки Arduino. Если сравнивать Galileo с другими платформами, отметим некоторые особенности решения от Intel, такие как собственный контролер для USB, возможность обмена данными без участия SPI (в том числе и работа VLAN-порта). Впервые реализован полноценный PCI Express слот, который позволяет устанавливать Wi-Fi, Bluetooth и 3G. IDE программируется так же, как привычная Arduino.

Стоит отметить, что такие микропроцессоры, как Galileo, могут использоваться во многих областях, начиная от управления робототехникой, и заканчивая системами, подходящими под концепцию IoT-технологий. Для развертывания собственных решений компанией Intel предусмотрено две платформы – Intel Galileo и Galileo Gen2. А еще можно будет управлять процессами при помощи мобильных приложений на вашем телефоне.

На эту платформу стоит обратить внимание тем программистам, у которых в проекте предусмотрены сложные программные вычисления. Galileo дает отличную возможность для создания собственных продуктов. Не стоит также забывать, что Intel Galileo – это проект, который полностью совместим с Arduino, что дает некоторые преимущества при решении определенных задач.

Tibbo Project System: глоток свежего воздуха

Тайваньская компания Tibbo Technology Inc предложила пользователям концепцию своей платформы Tibbo Project System (ТРS) в 2014 году. Последняя относится к новой линейке продукции, предназначенной для создания устройств автоматизации. Основными компонентами здесь выступают плата (TPP), ввод/вывод (Tibbit) и корпус (TPB).

Сама плата является программируемой печатной, на ней уже разведены все необходимые элементы, предназначенные для быстрого начала работы, – микросхемы аппаратного сброса reset, программируемый чип, обвязка питания, программируемая кнопка MD, светодиоды, звуковой индикатор. Также есть площадки, на которых можно разместить внешние модули ввода/вывода (их мы рассмотрим ниже). Для программирования была разработана собственная среда TIDE (Tibbo Integrated Development Environment). Само же программирование происходит с помощью одного из двух основных языков на выбор программиста – Tibbo Basic и Tibbo C. Оба языка программирования типизированы и объектно-ориентированы. Всем, кто привык к языку С+, не стоит разочаровываться, так как С-компилятор уже готов – его релиз ожидается в самое ближайшее время.

Модули ввода/вывода, в русскоязычном сегменте Интернета именуемые тиббитами (Tibbits, или Tibbo Bits) представляют собой компактные модули с заданным заранее функционалом (ввод/вывод): ЦАП, вход, АЦП, ШИМ, реле, порт RS232, Wiegand, модем GPRS, процессор PIC и т.д. Изначально они разрабатывались для собственной системы ТРS, но, как оказалось, могут работать в любой системе. Установка на TPP-платы проводится достаточно просто, без пайки и лишних сложностей, все как в детском конструкторе. А уже в собранном виде легко устанавливается в TPB-корпус.

Для большинства похожих коммерческих проектов необходимы корпуса, при этом не каждая компания может себе это позволить, особенно если речь идет о мелкосерийном производстве. В данном случае инженеры компании Tibbo заранее предусмотрели, где и как разместить TPP-плату, разработав TPB корпус. Сами корпуса, помимо своей многофункциональности, выглядят довольно стильно. Таким образом, разработав и создав TPB-корпус, компания Tibbo достигла целостности и завершенности проекта, что позволяет в конечном итоге получить законченное устройство автоматизации. Пока что налажено производство трех типов корпусов: TPB2, TPB2L, TPB3.

Проект быстро развивается и на данный момент уже обзавелся различными дополнениями и аксессуарами Tibbo Project System: пластины виброзащиты, модули расширения Wi-Fi, блоки питания, заглушки и т.д.

Облачные платформы

Стремление IТ-технологий к постоянному совершенствованию в конечном итоге приводит к их оптимизации. Помимо стандартных платформ для IoT, существуют облачные решения, которые дают очень удобный сетевой доступ в режиме «по требованию» к набору настраиваемых вычислительных ресурсов, доступных для определенной группы пользователей: хранилищ данных, серверов, приложений и/или сервисов, сетей.

Отправной точкой в развитии облачных вычислений (а затем и самих платформ), можно считать появление CRM-систем в 1999 году. Чуть позже компания Amazon начала предоставлять услуги к вычислительным ресурсам через свой книжный магазин. Уже в августе 2006 года нынешний интернет-гигант реализовал свой проект под названием Elastic Computing Cloud (Amazon EC2).

Платформы, предоставляющие услуги облачных вычислений, имеют различные модели для работы с клиентами. Среди них можно выделить Cloud Software as a Service (SaaS), Cloud Platform as a Service (PaaS), Cloud Infrastructure as a Service (IaaS) и другие. Любую из этих моделей клиент выбирает сам, ориентируясь на потребности своего бизнеса.

Из наиболее известных облачных сервисов можно выделить следующие: Amazon S3, Microsoft Azure, Google App Engine, Salesforce1 Platform, Heroku. Из отечественных стоит упомянуть Reg.ru (Jelastic), Софтлайн (CloudServer), Онланта (ОnCloud), Яндекс (Cocain).

Глобальная облачная платформа AWS IoT (Amazon Web Service) полностью автоматизирована. Она предоставляет возможность подключатся и безопасно работать между собой всем облачным устройствам и приложениям. Одно из многих достоинств AWS — возможность безопасно и надежно работать с огромнейшим числом сообщений, направляя их конечным портам AWS и другим устройствам. Благодаря различным встроенным сервисам (Amazon S3, Amazon Machine Learning, AWS Lambda, Amazon DynamoDB) AWS обеспечивает возможность комплексной автоматизации подключённых устройств, мониторинга и управления данными и т.д.

Особняком здесь стоит Amazon S3 (Amazon Simple Storage Service) – надежный инструмент для хранения объектов, который отлично подойдет для разработчиков. С его помощью можно получать или хранить любой объем данных, при этом платить нужно только за те ресурсы, которые используются непосредственно в настоящее время. Amazon S3 имеет простой в использовании веб-интерфейс и включает в себя различные виды хранилищ, предназначенных для решения определенных задач. Сервис можно использовать как самостоятельно, так и совместно с другими сервисами AWS, например, с пакетом Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2).

Особого внимания заслуживает и облачная платформа Microsoft (Windows) Azure, которая предоставляет те же инструменты и возможности для обработки и хранения данных, что и Amazon S3. На данный момент используются две облачные модели Windows Azure – платформы PaaS и IaaS. Успешная работа Windows Azure обеспечивает глобальную сеть дата-центров непотопляемой корпорации Microsoft.

OC для Интернета вещей

Детище Билла Гейтса не остановилось на одних лишь облачных платформах, в этом году представив специализированную операционную систему Windows 10 IoT, которая сможет работать на одноплатных платформах. Разработчики предполагают, что в дальнейшем она сможет стать основой для домашних интеллектуальных систем, подключаемых к Интернету вещей. Уже сейчас с помощью Windows 10 IoT можно разрабатывать хабы для домашних устройств. При правильном использовании внутреннего функционала фреймворка AllJoyn можно управлять окружающими устройствами. Таким образом, решение от компании Microsoft обещает развиться в многофункциональную панель управления, которая способна собирать данные с сенсоров и других устройств.

Microsoft IoT Pack for Raspberry Pi 2

Microsoft приняла участие в создании нового набора Internet of Things Pack for Raspberry Pi 2. Этот набор – прекрасный способ для разработчиков и всех заинтересованных начать свое знакомство с Интернетом вещей.

Набор — это совместное «произведение» IoT-подразделения Microsoft и компании Adafruit, которая занимается как раз продажей всякого рода железа для конструирования.

В набор входит корпус Adafruit Raspberry Pi, плата для сборки, набор проводов, Wi-Fi модуль, источник питания, датчики влажности, цвета и температуры, серийный порт.

А связывает все это воедино, естественно, Windows 10 IoT Core.

Светлое будущее

В завершение нашего рассказа отметим, что технологии Интернета вещей уже нашли широкое применение в повседневной жизни. Экосистема IoT настолько велика, что охватывает практически все сферы деятельности человека, начиная с простого подключения Wi-Fi, Bluetooth, 3G и заканчивая применением новых технологий в энергетике и нефтегазовом секторе. Что же касается облачных платформ, то они позволяют не только упростить производство, но и способны удешевить его путем переноса интеллектуальной составляющей части с конечного продукта в «облако».