作者：Steven Keeping，貿(mào)澤電子 得益于開源軟件的成功經(jīng)驗(yàn)，Arduino開創(chuàng)了開源硬件（OSHW）模型，鼓勵(lì)業(yè)余和專業(yè)工程師去學(xué)習(xí)、修改、宣傳、制作和銷售其設(shè)計(jì)的公開可用硬件產(chǎn)品。開源硬件在個(gè)人和商業(yè)應(yīng)用中的作用借助其內(nèi)置（或現(xiàn)成）的藍(lán)牙互連不斷擴(kuò)大，雖然藍(lán)牙5.0規(guī)范和隨后推出的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)是非常重要的里程碑，但是藍(lán)牙的低功耗特性將繼續(xù)幫助開源硬件獲得更廣泛的應(yīng)用，更重要的是配置藍(lán)牙和云訪問都是目前可行的技術(shù)方案，對(duì)于愛好者和工程師來(lái)說(shuō)開源硬件和藍(lán)牙無(wú)線連接將是一種潛在的強(qiáng)大工具。 開源硬件的作用 多年以來(lái)開源硬件（OSHW）一直沒有引起人們的注意，主要的用戶就是一些極客和愛好者，早期的產(chǎn)品主要是基于成熟的不復(fù)雜的處理器芯片，比如Atmel公司的ATmega3228 八位微控制器（MCU）系列，這也使得開源硬價(jià)格便宜，更加親民。然而最近幾年內(nèi)，創(chuàng)業(yè)公司和成熟的公司發(fā)現(xiàn)開源硬件能夠幫助縮短硬件（和軟件）的開發(fā)時(shí)間，從而讓用戶更加專注于產(chǎn)品差異化的設(shè)計(jì)，此外使用開源硬件能夠降低風(fēng)險(xiǎn)，刺激創(chuàng)新。 開源硬件表現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)很快就吸引了一些老牌的和初創(chuàng)的芯片供應(yīng)商，這涉及到幾十億美元的業(yè)務(wù)，對(duì)于每個(gè)芯片巨頭如Intel和TI等這都是一個(gè)全新的領(lǐng)域，比如開源硬件廠商Seeed Studio和SparkFun正在對(duì)外出售的單板計(jì)算機(jī)（SBC）就是符合開源模型的硬件產(chǎn)品。 當(dāng)然成熟且穩(wěn)定的開源硬件對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)也是受益的，工程師有一系列的單板計(jì)算機(jī)（SBC）產(chǎn)品可供選擇，對(duì)于售價(jià)低于100美元（通常是低于50美元）的開源硬件，一般在校學(xué)生到大部分的電子工程師都可以負(fù)擔(dān)的起，比如下面BeagleBoard開源硬件公司推出的BeagleBone Black單板計(jì)算機(jī)（如圖1所示）。 圖1：這款產(chǎn)品集成了足夠大的Flash存儲(chǔ)空間來(lái)存儲(chǔ)GestIC庫(kù) 這款單板計(jì)算機(jī)（SBC）采用的是Sitara ARM Cortex-A8 32位RISC微處理器，集成了512MB DDR3L 400MHz的SDRAM、4GB Flash、USB2.0主從接口、網(wǎng)口等等，BeagleBone Black單板計(jì)算機(jī)足夠的強(qiáng)大，能夠運(yùn)行操作系統(tǒng)，比如Linux、安卓，控制復(fù)雜的機(jī)器人或者管理一個(gè)家庭的安全系統(tǒng)。 為了完善更多的功能，最新版本的開源硬件單板計(jì)算機(jī)開始集成了高級(jí)的RF無(wú)線芯片，支持物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的互聯(lián)，IoT或者IIoT是一個(gè)全局的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，智能計(jì)算機(jī)、軟件、設(shè)備、機(jī)器、執(zhí)行器、傳感器等互相交換數(shù)據(jù)和指令，形成一個(gè)具有成千上萬(wàn)個(gè)應(yīng)用的平臺(tái)。 借助基于Web的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）（一般兼容Arduino），一名具備基本編程技能但是沒有RF經(jīng)驗(yàn)的工程師都可以利用開源硬件開放的無(wú)線互聯(lián)功能，這些應(yīng)用可以是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)記錄（濕度、溫度等），使用智能手機(jī)連接到云服務(wù)器更具測(cè)量結(jié)果出發(fā)一定的動(dòng)作（比如發(fā)送一條消息或者觸發(fā)警報(bào)）。 對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）無(wú)線互聯(lián)的作用 盡管我們知道智能手機(jī)連接到互聯(lián)網(wǎng)看起來(lái)非常的簡(jiǎn)單，但是它的作用絕不是微不足道的。復(fù)雜（因此價(jià)格昂貴）的調(diào)制解調(diào)器執(zhí)行高級(jí)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并且集成到智能手機(jī)（還包括計(jì)算機(jī)、平板電腦、路由等）中來(lái)保持各種連接。目前雖然在裝備簡(jiǎn)單、資源限制傳感器方面取得了一定的進(jìn)展，但是在實(shí)現(xiàn)廉價(jià)、常規(guī)、可靠的IoT/IIoT連接之前還有一些不可避免的工程挑戰(zhàn)要解決。 一些短距離和長(zhǎng)距離的RF技術(shù)是建立常規(guī)連接的基礎(chǔ)，但是低功耗藍(lán)牙（藍(lán)牙無(wú)線連接低功耗形式）具有一些關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)包括低功耗（確保更長(zhǎng)的電池壽命、較少的維護(hù)）、可以修訂優(yōu)化的開源標(biāo)準(zhǔn)以及多家供應(yīng)商的支持，更多的優(yōu)勢(shì)則來(lái)自于更多的智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴設(shè)備制造商的認(rèn)可和采用。 低功耗藍(lán)牙規(guī)范包括物理層（PHY）和固件棧，芯片供應(yīng)商通常都會(huì)提供一個(gè)兼容標(biāo)準(zhǔn)的固件，讓用戶能夠?qū)Ｗ⒂谧约簯?yīng)用程序代碼的開發(fā)，經(jīng)過開發(fā)工具的編譯形成一個(gè)堆棧式的系統(tǒng)分層（如圖2）。舉個(gè)例子，工程師可以向固件中添加一些代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)處理、格式化數(shù)據(jù)，并周期性發(fā)送數(shù)據(jù)給智能手機(jī)端來(lái)顯示溫度趨勢(shì)，處理過程聽起來(lái)簡(jiǎn)單，即使使用非常便捷的開發(fā)工具，無(wú)線應(yīng)用代碼的開發(fā)也會(huì)讓那些缺乏經(jīng)驗(yàn)的人感到吃力。 圖2：低功耗藍(lán)牙應(yīng)用代碼編譯后放在藍(lán)色部分執(zhí)行，灰色部分為系統(tǒng)固件（來(lái)源：TI） 開源硬件單板計(jì)算機(jī)供應(yīng)商已經(jīng)在嘗試解決應(yīng)用層程序開發(fā)的問題，比如將對(duì)藍(lán)牙的配置操作集成到用戶熟悉的集成開發(fā)工具（IDE）中，工程師可以通過以太網(wǎng)或USB進(jìn)行通信來(lái)配置單板計(jì)算機(jī)，可以說(shuō)很容易就可以建立與智能手機(jī)或者其他集成藍(lán)牙功能設(shè)備之間的無(wú)線連接。 藍(lán)牙（BLE）的配置 UDOO Neo是一款信用卡大小的單板計(jì)算機(jī)，采用的是飛思卡爾（FreeScale）iMX6SoloX應(yīng)用處理器，集成的是嵌入式ARM Cortex A9和M4內(nèi)核，這款產(chǎn)品同樣集成了SAM3X8E微控制器（MCU），支持安卓和Linux操作系統(tǒng)，此外集成的無(wú)線芯片（TI WiLink芯片）同時(shí)支持低功耗藍(lán)牙和WiFi（IEEE 802.11 B/g/n）的無(wú)線連接。 一名相關(guān)專業(yè)的學(xué)生就可以利用Arduino IDE、教學(xué)材料、Arduino Sketch（Arduino公司對(duì)于代碼塊的命名）以及一些功能庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)SAM3X8E MCU的功能代碼，當(dāng)然經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師可以使用C/C 、Python、Java或者其他編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)MCU和i.MX應(yīng)用處理器的應(yīng)用程序。 用戶可以利用Arduino IDE熟悉的開發(fā)環(huán)境來(lái)配置Neo板卡的無(wú)線功能，借助USB將單板計(jì)算機(jī)（SBC）與PC連接起來(lái)，然后打開網(wǎng)頁(yè)控制面板進(jìn)行相關(guān)設(shè)置（如圖3）。網(wǎng)頁(yè)控制面板包括NEO BLE藍(lán)牙連接狀態(tài)（此外還有WiFi、網(wǎng)絡(luò)、USB的連接指示狀態(tài)）。該網(wǎng)頁(yè)控制面板還能夠直接打開Arduino Web IDE開發(fā)環(huán)境方便程序開發(fā)，從網(wǎng)頁(yè)控制面板板我們可以打開藍(lán)牙，將該硬件設(shè)置為可搜尋的。從可用設(shè)備列表中選擇一個(gè)設(shè)備激活與Neo板卡的無(wú)線連接，這個(gè)過程本質(zhì)上與集成藍(lán)牙功能的智能手機(jī)與藍(lán)牙音箱建立連接一樣簡(jiǎn)單。 圖3：UDOO的網(wǎng)頁(yè)控制面板能夠很容易的激活Neo板卡的無(wú)線連接（來(lái)源：UDOO） 然而將開源硬件單板計(jì)算機(jī)與智能手機(jī)進(jìn)行配對(duì)，借助無(wú)線連接做一些有用的功能是兩種完全不同的事情，控制鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸需要一些基礎(chǔ)的編碼技能但是也不會(huì)難住一個(gè)熟悉Arduino IDE開發(fā)環(huán)境的工程師，比如燒寫單板計(jì)算機(jī)的Flash實(shí)現(xiàn)板卡上一排led燈的閃爍。 當(dāng)然我們還可以設(shè)計(jì)擴(kuò)展板卡來(lái)實(shí)現(xiàn)單板計(jì)算機(jī)的無(wú)線連接功能，這在開源硬件社區(qū)里面很普遍，通過兩塊板卡上設(shè)計(jì)配對(duì)的連接器將兩塊板卡無(wú)縫的對(duì)接在一起，比如ST微電子的Nucleo板卡，它也是一款開源標(biāo)準(zhǔn)的單板計(jì)算機(jī)，采用的是STM32 MCU處理器（ARM Cortex M4內(nèi)核），它與X-NUCLEO-IDB05A1擴(kuò)展對(duì)接使其具備藍(lán)牙（BLE）功能（如圖4）。 圖4：IDB05A1擴(kuò)展板卡能夠?yàn)镹ucleo SBC板卡擴(kuò)展藍(lán)牙無(wú)線連接功能（來(lái)源：ST微電子） Nucleo/IDB05A1另一個(gè)額外的優(yōu)勢(shì)來(lái)自于ST微電子參與 ARM mbed操作系統(tǒng)的開發(fā)，它是基于ARM MCU面向物聯(lián)網(wǎng)低功耗設(shè)備的操作系統(tǒng)，部分開源提供一定的代碼庫(kù)資源，能夠直接實(shí)現(xiàn)對(duì)Nudeo板卡的配置，支持一系列常見的應(yīng)用，如心率監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序，引入mbed代碼庫(kù)后經(jīng)過編譯后生成鏡像文件，通過mbed IDE工具就可以下載到Nucleo SBC板卡中運(yùn)行。 從智能手機(jī)上的STM32 BLE應(yīng)用程序app中可以選擇心率監(jiān)測(cè)傳感器（比如Nucleo），建立連接和數(shù)據(jù)通信后會(huì)將心率數(shù)據(jù)顯示在智能手機(jī)的顯示屏上。 接入云服務(wù) 在這些實(shí)例應(yīng)用中，開源硬件單板計(jì)算機(jī)作為一種外設(shè)，將數(shù)據(jù)（比如從旋轉(zhuǎn)編碼器接收的數(shù)據(jù)）發(fā)送給智能手機(jī)設(shè)備，當(dāng)然開發(fā)者們也正在研究使用UDOO、Intel、STM微電子SBC板卡作為中央設(shè)備開發(fā)更復(fù)雜的無(wú)線應(yīng)用工程，采集多個(gè)無(wú)線外設(shè)傳感器的數(shù)據(jù)，比如第三方藍(lán)牙溫度和濕度傳感器。采集的數(shù)據(jù)會(huì)暫時(shí)保存在SBC板卡的Flash存儲(chǔ)其中，稍后會(huì)發(fā)送給智能手機(jī)端App（SBC板卡相當(dāng)于外圍設(shè)備，智能手機(jī)充當(dāng)中央單元）。 這個(gè)項(xiàng)目可以擴(kuò)展更多豐富的功能，比如根據(jù)溫度和濕度數(shù)據(jù)觸發(fā)一些動(dòng)作或者操作等，首先將采集的相關(guān)數(shù)據(jù)從同智能手機(jī)上傳到云服務(wù)器，然后部署一定的觸發(fā)服務(wù)，比如ThingSpeak.com，ThingSpeak類似的服務(wù)遵循條件判定的規(guī)則，數(shù)據(jù)輸出完全依賴于輸入的數(shù)據(jù)。比如一棟房子的三個(gè)房間的濕度超過70%就會(huì)向智能手機(jī)發(fā)送一個(gè)通知來(lái)提示打開除濕器。 使用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)單板計(jì)算機(jī)（SBC）互聯(lián)網(wǎng)的連接具有一定的挑戰(zhàn)性，今天很多藍(lán)牙固件包含因特網(wǎng)協(xié)議（IPv4或IPv6）與藍(lán)牙協(xié)議的轉(zhuǎn)換技術(shù)，但是實(shí)際上沒有兼容性的商業(yè)無(wú)線路由設(shè)備來(lái)充當(dāng)它們之間轉(zhuǎn)換的中繼站。一個(gè)解決方案就是選擇第二塊開源硬件單板計(jì)算機(jī)來(lái)充當(dāng)中繼設(shè)備，但是這無(wú)疑很簡(jiǎn)陋，而且需要對(duì)藍(lán)牙固件開發(fā)和IPv6等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和開發(fā)工具有深入的了解和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。 對(duì)于一個(gè)沒有RF相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的工程師來(lái)說(shuō)，一個(gè)更簡(jiǎn)單的解決方案就是借助一個(gè)集成了無(wú)線通信功能的單板計(jì)算機(jī)（比如Arduino 101），這樣就可以使用藍(lán)牙來(lái)采集傳感器的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后通過WiFi方式將數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器（WiFi路由器在我們的生活中無(wú)處不在）。 一些可用的開源資源如ThingSpeak推出的Arduino庫(kù)文件大大簡(jiǎn)化了開發(fā)過程，能夠輕松的實(shí)現(xiàn)單板計(jì)算機(jī)加入WiFi網(wǎng)絡(luò)并且周期性將數(shù)據(jù)上傳到ThingSpeak云服務(wù)器上等功能。 雙向的無(wú)線連接能夠接收傳感器的數(shù)據(jù)，向網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)（或者借助WiFi連接到云服務(wù)器）發(fā)送數(shù)據(jù)，此外還可以接收來(lái)自其他計(jì)算設(shè)備的數(shù)據(jù)或者指令，隨著快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，無(wú)線連接將開源硬件單板計(jì)算機(jī)與“智能”密切的聯(lián)系在一起，而且借助這些鏈接還可以進(jìn)行操作系統(tǒng)、芯片固件的更新，通過軟件補(bǔ)丁來(lái)維護(hù)系統(tǒng)的安全性。 總結(jié) 開源硬件單板計(jì)算機(jī)的無(wú)線互連需求越來(lái)越廣泛，強(qiáng)大的開發(fā)工具的支持、適當(dāng)?shù)拈_發(fā)板卡價(jià)格使得幾乎沒有RF專業(yè)知識(shí)的工程師來(lái)說(shuō)都可以很快的上手，這極大的增加了這些開源硬件產(chǎn)品所適用的范圍和數(shù)量。集成無(wú)線功能的開源硬件單板計(jì)算機(jī)正在推動(dòng)創(chuàng)新和資源共享潮流，這也是開源標(biāo)準(zhǔn)的源動(dòng)力。 原文鏈接： 該發(fā)布文章為獨(dú)家原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)源。對(duì)于未經(jīng)許可的復(fù)制和不符合要求的轉(zhuǎn)載我們將保留依法追究法律責(zé)任的權(quán)利。 (mbbeetchina)