如何使用 Discovery Kit IoT Node,快速為 IoT 裝置進行原型設計

作者:Jacob Beningo

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

越來越多裝置連接至物聯網 (IoT),設計人員開始瞭解從頭開始設計產品並不如預期容易,尤其當時間表安排很緊且成本有限時。從選擇可靠、安全、良好支援的開發環境到選擇相容的軟硬體:設計和打造 IoT 裝置還是需要很多技能組合。

設計人員有更高需求的是能在一個可擴充的封裝中,立即取得安全解決方案、雲端連線庫、RTOS,以及相容且提供就緒可用整合式感測器的軟硬體開發平台。

本文描述 IoT 設計人員如何運用 STMicroelectronicsB-L4S5I-IOT01A Discovery Kit IoT Node,為產品進行快速原型開發。文中將檢驗板載微控制器的能力、豐富的感測器和配置選項,以及如何連接至 Amazon Web Services (AWS) 並快速開始打造原型設計和最終產品。

B-L4S5I-IOT01A Discovery Kit IoT Node 介紹

B-L4S5I-IOT01A Discovery 板是功能完全的開發板,可針對幾乎任何嵌入式 IoT 裝置 (圖 1) 進行原型設計。此板具有充足的處理能力、感測器、擴充性,任何嵌入式開發人員都能發揮想像、建造應用。B-L4S5I-IOT01A 板基於 STM32L4S5VIT6 低功率 Arm® Cortex®-M4 處理器,以 120 MHz 運作,受 2 MB 程式快閃記憶體和 640 KB SRAM 支援。STM32L4S5VIT6 還具備非常適合 IoT 應用的特點,例如:

  • 浮點單元 (FPU)
  • 14 通道動態記憶體存取 (DMA) 控制器
  • AES 和 HASH 加密硬體加速器
  • 先進圖形特點
  • 233 ULPMark CP 能量標竿分數

Texas Instruments B-L4S5I-IOT01A 基於 Arm Cortex-M4 處理器圖圖 1:B-L4S5I-IOT01A 基於 Arm Cortex-M4 處理器,具有高達 120 MHz 的運作能力、2 MB 快閃記憶體、640 KB of RAM、無線連接、多感測器。(圖片來源:STMicroelectronics)

優良的快速原型設計平台不只包含處理能力和高能效。Discovery 板還具備無線連線能力,其 802.11b/g/n 相容於 Inventek Systems 的 Wi-Fi 模組 (ISM43362-M3G-L44)、STMicroelectronics 的 Bluetooth 4.1 模組,以及多種感測器。這包含兩個 MP34DT01 數位全向麥克風、一個 HTS221 電容式數位感測器 (用於相對溫濕度),以及一個 LIS3MDL 高效能三軸磁力計。

以上清單並不完全,您可在此處找到詳細說明。接著,為加速開發,檢驗可用的軟體工具和堆疊也很重要。

STM32 生態系統

任何開發板周圍的生態系統會決定團隊是否能快速開發原型設計。例如,若要採用 B-L4S5I-IOT01A 為 IoT 裝置進行原型設計,設計人員需要存取編譯器、整合式開發環境 (IDE)、驅動程式庫、配置工具、用於韌體更新的軟體。B-L4S5I-IOT01A Discovery 板支援以上這些需求。

許多開發人員在開發環境中使用 Eclipse 和 GNU C 編譯器。STMicroelectronics 提供免費工具 STM32CubeIDE (圖 2),開發人員可以用來編寫和建立軟體專案。STM32CubeIDE 可透過不同觀點存取軟體開發環境、微控制器配置工具,以及除錯環境。

STM32CubeIDE IDE 用來建立、配置、管理 IoT 嵌入式軟體圖 (點選放大)圖 2:STM32CubeIDE 提供開發人員用來建立、配置和管理 IoT 裝置嵌入式軟體的 IDE。(圖片來源:Beningo Embedded Group)

STM32CubeIDE 不僅提供一個建立、打造、管理軟體專案的方式,也可以介接 STM32CubeMx。STM32CubeMx 是一款微控制器配置工具,能讓開發人員配置時脈樹、周邊裝置、感測器、中介軟體。開發人員配置其設定,接著工具鏈會產生驅動程式及配置檔案,大幅縮短開發時間,讓開發人員專注於應用程式碼而非標準基礎架構程式碼。 

除了配置和部署代碼庫,STM32 生態系統隨附數個有用工具,能讓開發人員以最尖端方式工作。例如,想要在應用中運用機器學習的開發人員可以採用 STM32Cube.AI 擴充 X-CUBE-AI,提供團隊順暢的框架,用於在 STM32 轉換、驗證、執行推論。例如,開發人員可以使用 TensorFlow Lite 訓練模型,接著在數分鐘之內將模型轉換為 C 程式碼,在微控制器上執行。此外,還有擴充包,內含就緒使用的軟體:

每個 IoT 裝置都應考量安全性,即使在快速原型設計時亦然。現今的網路不斷遭受攻擊、安全漏洞、濫用企業和客戶資料。因此,任何快速原型設計平台都必須能有效率地延伸至生產系統。Discovery 板可運用 STMicroelectronics 的 安全啟動安全韌體更新 (SBSFU) 軟體堆疊,提供開發人員此能力。SBSFU 提供 X-CUBE-SBSFU 功能包,其中包含:

  • 信任根 (RoT) 服務
  • 安全金鑰管理服務
  • 密碼機制
  • 安全韌體更新服務

B-L4S5I-IOT01A Discovery 板周圍的生態系統非常豐富,包含許多功能包和工具,能讓開發人員快速開始使用。許多 IoT 開發人員喜歡使用 X-CUBE-AWS 包,內含使用 AWS 連接至雲端所需的所有項目。讓我們來探討開發人員如何開始開發。

連接雲端

首先,開發人員需要下載 X-CUBE-AWS,以便連接至雲端。軟體包以 zip 檔案形式提供,內含幾項專案,可在 B-L4S5I-IOT01A 中執行,例如:

  • Bootloader_KMS
  • Bootloader_STSAFE
  • Cloud

這些專案位於:

Projects/B-L4S5I-IOT01A/Applications/

AWS 雲端專案資料夾為:

Cloud/aws_demos

雲端專案提供 STM32Cube IDE、Keil、IAR 使用。當然,開發人員可以用於其他 IDE,但這是業界中最常使用的三個 IDE。

開發人員不用先研究如何設定完成專案及獨立運行。提供許多有用的文件,協助他們快速開始。首先,在主要專案目錄下,有一個 Release_Notes.html 檔案。這個檔案包含專案的一般資訊,及其限制和其他有用的參考資訊。

接著,入門指南將描述如何使用專案連接至 AWS。此文件描述如何連接至 AWS,以及堆疊和軟體資料 (圖 3)。此文件也詳細描述軟體堆疊,有助於讓開發人員瞭解其組織,以及連接裝置至雲端的必要變更。

STMicroelectronics 的 X-CUBE-AWS 提供韌體和應用範例的圖圖 3:X-CUBE-AWS 提供連接至 AWS 所需的韌體和應用範例,並且開發能連接至 AWS 的 IoT 物件。(圖片來源:STMicroelectronics)

連接至雲端最簡單的方式是月閱讀入門指南然後遵循教程。除了教程之外,還有一些額外參考資料提供給開發人員,以便加速使用軟體包,包含:

從這些文件中,設計人員可以快速建立並執行雲端應用,作為其 IoT 應用裝置的基礎。

使用 B-L4S5I-IOT01A Discovery 板的秘訣和技巧

B-L4S5I-IOT01A Discovery 板有許多特點和功能,開發人員可以善加運用,加速其嵌入式產品原型設計。以下為幾項開發人員需謹記的「秘訣與技巧」,如此便能簡化並加速開發:

  • 充分運用 X-CUBE-AWS 輕鬆連接至 AWS。軟體包隨附已加入開發板的 FreeRTOS;開發人員只需要將裝置連接至雲端。
  • 仔細閱讀入門文件。該文件包含執行韌體升級和連接至 AWS 的各必要步驟。
  • 實驗空中更新 (OTA) 範例更新能力。在現場修補和更新 IoT 裝置非常重要。開發人員必須注意安全韌體更新的能力和任何限制。
  • 可運用 STMicroelectronic 的功能包,開發人員可快速開始使用功能和裝置功能,避免從頭開始。這些功能包可以大幅加速開發速度。
  • 花一些時間閱讀 STSAFE 文件,並且瞭解安全元素如何提升裝置安全性。安全性必須從一開始就建置於裝置中,所以必須在原型設計階段就實施。

開發人員若遵循這些「秘訣和訣竅」,便可在原型設計時省下很多時間與麻煩。

結論

從頭開始開發 IoT 連線裝置還是有許多障礙和陷阱,有可能會延誤時程並導致花費超額。為避免此問題,開發人員可以運用 B-L4S5I-IOT01A Discovery 板為其連線應用快速進行原型開發。STMicroelectronics 的軟體堆疊、擴充包、生態系統提供開發人員一個完整的方式,輕鬆整合軟體並加速實作。B-L4S5I-IOT01A 也具備現代裝置所需的功能,例如雲端連線、OTA 安全韌體開機,甚至執行基本機器學習應用。

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關於作者

Jacob Beningo

Jacob Beningo 是嵌入式軟體顧問,目前與超過十幾個國家的客戶合作,透過產品品質、成本和上市時間的改善,促成業務的大幅轉型。他曾在嵌入式軟體開發技術上發表超過兩百篇文章,是深思熟慮的講師和技術培訓師,共擁有三個學位,包括密西根大學的工程碩士學位。歡迎透過以下方法洽詢,電郵:jacob@beningo.com、網站:www.beningo.com,亦可登記取得他發行的Embedded Bytes 每月電子報

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