物联网原型开发，如何能够“快”起来？

根据IDC的数据，2021年物联网支出规模达6,902.6亿美元，并有望在2026年达到1.1万亿美元，2022年至2026年的年复合增长率（CAGR）为10.7%。同时，IoT AnaIytics的研究也显示，2020年物联网设备连接数达113亿，首次超过非物联网设备连接数，预计2025年将达到270亿，复合增长率更是高达22%！在可以预见的未来，物联网中蕴藏着巨大的商机，这已是不争的事实。
    不过，如果将物联网市场视为一座“宝矿”，想要将这些矿藏挖出来，并让其价值变现，也并非易事。现实的情况往往是，应用需求层出不穷，开发者的“产能”却总是捉襟见肘，补不上供需之间的差距。
    个中缘由很多，而其中有一条很关键：物联网应用需求“碎片化”特征十分突出，也就是说不同应用之间往往是个性大于共性。这就要求开发者一方面具备捕捉差异化的洞察力，以及实现这种差异化的想象力；另一方面也迫切需要给力的原型开发平台，让他们的设计创意快速得以实现和验证。
    而以往，在物联网原型开发平台的选择上，开发者难免纠结。这是因为面对碎片化的需求，他们很难找到一款能够覆盖广泛性设计要求的开发套件。比如你选择了某款具备温湿度传感器功能的原型开发套件，可以满足当下智能空调系统的设计要求，但是如果你进一步想将PM2.5、VOC等更多空气质量传感器整合到新的设计方案中，原有的原型工具就不再适用了。
    因此，物联网原型工具的可扩展性越来越成为一个关键的特性。为此，不少原型工具会设计成“MCU主板+扩展卡”的架构，通过添加子扩展卡来实现新的功能。
    但扩展性的增强，也会带来新的挑战：不同硬件板卡相互整合时的兼容性问题可能会成为设计隐患，而且软件工具是否能够支持这样的扩展也是一个问题。而上述任何硬件或软件上的沟沟坎坎，都会延长研发周期。
    想要规避这些“拖后腿”的风险因素，让物联网原型“快”起来，就要有一些新办法。
    快速物联网原型平台
    Renesas Electronics快速接入式物联网（Quick-Connect IoT）原型开发平台就是为了解决这个痛点而生的，它的出现确实让人眼前一亮。

    快速接入式物联网系统的设计思路就是，通过提供相互兼容的、标准化的硬件和软件构建模块，让开发者能够像搭积木一样快速将开发所需的MCU主板、传感器和通信模块整合在一起，搭建起硬件平台；同时，该系统还提供可在板卡之间移植的软件构件，大大降低了编码要求。这样一来，整个原型开发就“快”起来了。

    图1：Renesas Electronics快速接入式物联网系统
    （图源：Renesas Electronics）
    为了将平台中各个模块化的要素整合在一起，Renesas Electronics提供了一硬一软两种关键的“粘合剂”。
    其中，硬件粘合剂就是指：支持快速接入式物联网的每块MCU板上都带有双Pmod连接器，分别用于连接传感器和通信模块；而且这些外接的扩展模块也可通过Pmod结构进行级联，以实现更大的可扩展性。
    特别值得一提的是，Renesas Electronics与Digilent合作为快速接入式物联网系统开发了全新Pmod 6A型（扩展I2C）接口，该接口除了可以向后兼容标准的Pmod 6A接口，特别扩展了对SPI和UART接口的支持，符合I2C规范，具有可选的中断和复位引脚，以及可选的控制信号。此外，6A型还可通过Digilent提供的简单电缆细分为6型和1型（GPIO）。这些优化显然有利于为更广范的应用开发提供更大的灵活性。
    在软件方面，Renesas Electronics为各种传感器重新定义了通用软件应用程序接口（API）和硬件抽象层（HAL）代码，并嵌入至Renesas Electronics e2 studio集成开发环境中。这实际上是从软件层面尽可能避免原型开发系统在功能扩展时可能会遇到的问题，设计人员无需编写和测试驱动程序代码，仅需以图形方式选择他们的传感器并编写数行代码即可，所有集成与设置工作均在后台进行，大大缩短了开发时间。

    不难看出，快速接入式物联网系统的推出恰好瞄准了物联网原型开发的痛点——开发者所需要的不仅是性能出色的MCU、传感器、无线通信模块和软件，而是一个可以整合各种设计软硬件资源，且能够根据设计需要灵活扩展的开发平台。快速接入式物联网显然为这一目标的实现提供了一个理想的系统框架。

    图2：基于快速接入式物联网的空气质量监测系统
    （图源：Renesas Electronics）
    丰富的设计生态资源
    当然，有了这样的系统框架，想要尽可能地满足碎片化、多样性物联网应用原型开发的需求，还需要不断丰富与快速接入式物联网配套的各种MCU主板和扩展模块。这也一直是Renesas重要的着力点。
    在MCU主板方面，目前Renesas Electronics的RA、RX和RL78产品家族有超过25款的MCU开发板及套件，可直接或通过专门的小型转接板与新型Pmod 6A型标准相兼容。也就是说，这些开发板都可以成为快速接入式物联网生态的一部分，使用到这一原型平台丰富的传感器和通信模块资源。按照Renesas Electronics的规划，在不久的将来快速接入式物联网还会支持RE和RZ开发板。

    图2中的空气质量监测系统，使用的就是一块RA系列的开发板EK-RA2L1。可以看到，RA系列微控制器开发板中集成了基于Arm Cortex-M内核的微控制器、USB和JTAG调试接口、Pmod连接器，以及按钮、电位器和触摸传感器等HMI控件，板载硬件资源十分丰富。

    图3：EK-RA2L1开发板
    （图源：Renesas Electronics）

    同时在配套的开发软件方面，设计人员可以借助Renesas Electronics的e2 Studio集成开发环境（IDE）和E2仿真器，实现开箱即用的编码、调试和评估体验。而且，RA灵活软件包（FSP），也为开发者提供一种快速、通用的开发方式，使其能够利用量产级驱动程序、Azure RTOS、FreeRTOS和其他中间件协议栈，快速构建安全、互联的物联网设备。

    图4：FSP灵活软件包
    （图源：Renesas Electronics）
    在传感器模块方面，快速接入式物联网包含多种Pmod模块化板卡，方便在原型开发中接入空气质量传感器、流量传感器、生物感测、飞行时间、温度或其它传感元件。

    以下面这款US082-OB1203EVZ传感器Pmod?板为例，其可以支持在原型设计中集成OB1203多通道光传感器（LS/CS）、接近传感器（PS）和光电容积脉搏波法传感器（PPG）等多种光电传感器。该传感器板两侧设有两个Pmod连接器，一个可通过Pmod 6A型接口与MCU主板相连，另一个则可支持以菊花链的方式连接额外的Pmod 6/6A型传感器板，以便在同一原型方案中接入更多类型的传感器。

    图5：US082-OB1203EVZ传感器Pmod板
    （图源：Renesas Electronics）
    我们再来看看快速接入式物联网系统中另一个不可或缺的模块化组件——通信模块，在这个方面Renesas Electronics为开发者提供了多种无线互连扩展板。特别是随着Renesas Electronics完成对Dialog Semiconductor的收购，后者在低功耗无线互连领域的优势也被整合到了快速接入式物联网生态系统中。
    US159 Pmod扩展板就是其中代表性的产品，其包括三个类型的通信扩展板：
    US159-DA14531EVZ：低功耗蓝牙（BLE）Pmod模块，这是一款结构紧凑的BLE 5.0无线连接方案。
    US159-DA16200EVZ：超低功耗Wi-Fi Pmod模块，适用于长期运行型物联网系统，可经济高效地为其增加Wi-Fi功能。
    US159-DA16600EVZ：高度集成的超低功耗Wi-Fi + BLE组合Pmod模块，对于同时需要WLAN和WPAN连接的原型十分适用。

    这就意味着，开发者可以随心所欲地根据终应用挑选合适的无线通信组件，以更快捷的方式搭建起设计原型。

    图6：US159-DA14531EVZ低功耗蓝牙Pmod模块

    （图源：Renesas Electronics）

    图7：US159-DA16200EVZ超低功耗Wi-Fi Pmod模块

    （图源：Renesas Electronics）

    图8：US159-DA16600EVZ高度集成的Wi-Fi + BLE组合Pmod模块
    （图源：Renesas Electronics）
    本文小结
    “天下武功唯快不破”，这一耳熟能详的“武林秘笈”在物联网开发上同样适用。这是因为，面对海量同时又是碎片化的物联网应用，能够将设计创意转化为实际产品和方案的开发者，往往能够占得先机，获得市场的认可。
    快速接入式物联网这样的原型开发平台，恰恰可以为这些物联网开发加速，模块化的架构、丰富的设计生态资源，使其在带来灵活性的同时，也限度地简化了系统集成工作，让物联网原型开发真正“快”起来！