Intégration à l'Internet des objets

Quels sont les composants sans fil compatibles avec l'Internet des objets ?

Pour un grand nombre de types d'applications, le processus de sélection des composants est relativement simple. Cependant, pour les semi-conducteurs programmables, notamment les microcontrôleurs, l'équipe de développement doit prendre en compte davantage de critères : la disponibilité des outils de développement, les fournisseurs d'équipement de programmation ainsi que la qualité du code compilé.

La croissance rapide des applications Internet des objets implique souvent la nécessité d'intégrer un ou plusieurs protocoles sans fil dans un produit. Il existe bien sûr divers modules sur le marché qui permettent d'éliminer le « problème » de technologie sans fil. Cependant, de telles solutions, avec le savoir-faire et les fonctionnalités de micrologiciel fixe intégrés, peuvent ne pas présenter toute la flexibilité nécessaire, ne pas correspondre au niveau de prix souhaité ou occuper un espace carte trop important. Si l'équipe de développement veut concevoir une solution de puce programmable intégrant une technologie sans fil ou uniquement un module sans fil dans le but de renforcer la capacité d'un microcontrôleur, elle doit envisager les piles logicielles disponibles ainsi que les restrictions en matière d'outils de développement imposées par ces piles logicielles.

Options silicium pour les solutions sans fil IEEE 802.15.4

Les nouvelles solutions IEEE 802.15.4 proposées par Atmel sont disponibles dans la gamme de dispositifs SAMR21, une solution monopuce intégrant un processeur ARM Cortex M0+ fonctionnant jusqu'à 48 MHz avec un émetteur-récepteur basse consommation de 2,4 GHz. L'émetteur-récepteur offre une puissance de transmission atteignant +4 dBm et une sensibilité de récepteur de -101 dBm. Disponibles avec 16 broches d'E/S dans un boîtier QFN32, ou 28 broches d'E/S dans un boîtier QFN48, et dotés de jusqu'à 256 Ko de mémoire Flash et 32 Ko de mémoire SRAM, ces produits semblent parfaitement adaptés aux conceptions exigeant des niveaux élevés d'intégration.

Si vous n'excellez pas dans la conception RF, les modules sans fil MRF24J40Mx pré-certifiés de Microchip sont plutôt tentants. Fonctionnant dans la plage de fréquences de 2,4 GHz, ils incluent une antenne de carte CI en option, un amplificateur de puissance (PA) / un amplificateur à faible bruit (LNA) en option pour les applications exigeant une plage plus étendue, et une interface SPI facile à configurer. L'option PA/LNA permet une puissance de transmission de +20 dBm et une sensibilité de récepteur atteignant -102 dBm. Étant donné que le module n'intègre que l'émetteur-récepteur RF, l'équipe de conception est libre d'utiliser son propre microcontrôleur pour contrôler le module via l'interface SPI.

Outils de développement matériel

Afin de faciliter les tâches de l'équipe de développement, Atmel a lancé la carte de développement ATSAMR21-XPRO (Figure 1) reproduisant son format Xplained à succès. Les récentes cartes de développement suivent ce même style, permettant d'utiliser les broches de microcontrôleur sur des connecteurs faciles à utiliser le long des bords de la carte. Par ailleurs, les cartes présentent un puissant débogueur embarqué, appelé EDBG. Le débogueur EDBG inclut une interface SWD (Serial Wire Debug) ARM standard pour déboguer et programmer le microcontrôleur cible et un port COM virtuel, permettant un transfert aisé des données série (type USART) entre le microcontrôleur et un ordinateur hôte. Cette fonctionnalité est très utile pour générer des messages de débogage à partir du code d'application. Le connecteur Micro-USB associé fonctionne également comme l'une des sources d'alimentation possibles. Pour ce qui est de la capacité sans fil, une antenne monopuce et un connecteur SMA sont également disponibles, facilitant ainsi le développement du système et le test des performances RF. Une embase intégrée permet de mesurer facilement la consommation énergétique, un élément essentiel dans les conceptions alimentées par batterie.


Figure 1 : La solution SAMR21-XPRO offre un accès aisé aux broches du microcontrôleur le long des bords de la carte, et intègre un débogueur, une antenne monopuce et un connecteur SMA.

Freescale adopte une approche différente pour son kit de démarrage 1322X Developer Starter Kit (DSK). Prêt à l'emploi, le kit sert d'application de station météo basée sur deux cartes de référence différentes : une carte SRB (Sensor Reference Board) équipée de capteurs de température, de pression et d'accélération, et une carte NCB (Network Coordinator Board) avec un écran LCD graphique. Les deux cartes incluent également un joystick, des boutons et des DEL à des fins de surveillance et de contrôle, ainsi qu'une interface USB pour établir une connexion à un ordinateur. Le kit intègre des alimentations, mais les connecteurs de batterie indiquent que Freescale a identifié le besoin d'un test environnemental en sortant le dispositif du laboratoire lors du développement. Un débogueur J-Link JTAG est également intégré dans ce kit.

La solution MRF24J40MA PICtail/PICtail Plus est une carte d'extension simple équipée des connecteurs exclusifs PICtail et PICtail Plus de Microchip, également présents sur les cartes de développement de microcontrôleur. Cela facilite l'utilisation de la carte PIC18 Explorer pour les applications moins exigeantes pour lesquelles une performance de 8 bits est suffisante, ou de la carte de développement Explorer 16 si une puissance de 16/32 bits est requise. Notez qu'il est également nécessaire d'acheter un outil de débogage en circuit, par exemple le MPLAB ICD 3 ou le MPLAB REAL ICE, pour un développement complet.

Outils de développement logiciel

Atmel possède son propre environnement IDE, Atmel Studio 6, téléchargeable et utilisable gratuitement. Cependant, l'installation complète pesant plus de 850 Mo, prévoyez suffisamment de temps pour le téléchargement et l'installation. Une fois la solution installée, l'utilisateur dispose de presque tous les éléments nécessaires pour le développement logiciel sans fil, notamment une chaîne d'outils GNU GCC, l'Atmel Software Framework (ASF), une collection d'API simplifiant la programmation et l'utilisation de périphériques intégrés, et un large éventail de projets d'exemples, y compris plus de 100 projets ciblés pour l'ATSAMR21-XPRO. Le gestionnaire d'extension intégré offre également d'autres modules, par exemple les modules Wireless Composer et Wireless Performance Analyzer, qui simplifient la configuration et le test des performances de la liaison sans fil.

Si vous utilisez les modules MRF24J40x avec un microcontrôleur Microchip (Figure 2), l'IDE MPLAB X, disponible en téléchargement de moins de 400 Mo, est également requis. Cet IDE peut être exécuté sous Linux, MAC OS et Windows. Il est indispensable de télécharger séparément les chaînes d'outils de compilation. En outre, les versions gratuites des compilateurs MPLAB XC offrent un support d'optimisation limité. Une mise à niveau vers une licence payante permet d'activer la capacité d'optimisation complète. L'interface WDS (Wireless Development Studio), téléchargeable séparément, fournit le reniflage réseau pour les réseaux MiWi™ à l'aide de l'adaptateur sans fil ZENA, également de Microchip.


Figure 2 : Le MRF24J40A est un module certifié doté d'une antenne de carte CI permettant aux développeurs de sélectionner un microcontrôleur approprié répondant à leurs besoins.

Piles logicielles sans fil

L'IEEE 802.15.4 est inextricablement lié à ZigBee®. Lorsque l'interopérabilité avec ce type de réseau est souhaitée, Atmel propose le kit de développement logiciel Bit Cloud SDK, une pile certifiée ZigBee® PRO. Si l'interopérabilité sans fil n'est pas requise, Atmel propose sa propre pile de mise en réseau propriétaire appelée « Lightweight Mesh ». Prenant en charge plus de 65 000 nœuds dans un réseau maillé et avec une empreinte mémoire typique de 8 Ko Flash/4 Ko SRAM, elle est plus que suffisante pour la plupart des besoins système (AVR2130 réf. 1). Pour les plus audacieux qui souhaitent effectuer une programmation au niveau IEEE 802.15.4 MAC, il existe également des logiciels de communications conformes à la spécification sans le surcoût d'une pile (AVR2025 réf. 2).

À l'instar des autres solutions exposées, Freescale offre également ses propres piles ZigBee® qualifiées appelées « BeeStack ». Comme les autres, Freescale propose une offre de réseau maillé propriétaire, SynkroRF, avec un contrôleur et des nœuds contrôlés. Pour les systèmes les plus simples, pour lesquels un réseau point-à-point ou en étoile est suffisant, il existe également le protocole de mise en réseau sans fil SMAC. Toutes les piles de protocoles sont gratuites et sont disponibles en téléchargeant le logiciel BeeKit. Une fois le téléchargement et l'installation effectués, les fichiers logiciels nécessaires peuvent être générés pour intégration dans un projet IAR avec tous les documents requis.

La pile ZigBee® PRO de Microchip coûte environ 1000 USD, mais le fabricant propose aussi sa pile propriétaire gratuite MiWi™. La version la plus simple, MiWi™ P2P, est une pile légère axée sur des topologies de réseau en étoile simple ou point-à-point. MiWi™ PRO est une pile de mise en réseau maillé complète prenant en charge 8000 nœuds au total, soixante-quatre nœuds coordinateurs et une distance de saut de soixante-cinq. Un dispositif coordinateur nécessite moins de 25 Ko de mémoire Flash, et un dispositif de nœud d'extrémité environ 13 Ko. La note d'application AN1629 fournit une étude approfondie des performances sans fil et du calcul du bilan de liaison, clarifiant un grand nombre de problèmes importants que peut rencontrer une équipe sur les performances globales d'un système.

Résumé

Il ne fait aucun doute que le choix est vaste quand il s'agit de connecter un produit sans fil à des réseaux IEEE 802.15.4 dans l'Internet des objets. Tous les fournisseurs proposent un large éventail de piles de protocoles et la plupart peuvent être essayées à peu de frais avec les kits mentionnés et quelques logiciels téléchargés. Les solutions proposées par Atmel et Freescale excellent lorsque l'espace carte et un haut niveau d'intégration constituent des facteurs clés. Cependant, lorsque l'espace ne constitue pas un problème majeur, un module d'émetteur-récepteur sans fil certifié de Microchip, avec la flexibilité de choisir un microcontrôleur approprié, peut être l'option la plus intéressante.

Références :

• Atmel
  1. Note d'application AVR2130 : Guide de développement Lightweight Mesh
  2. Note d'application AVR2025 : Pack logiciel IEEE 802.15.4 MAC - Guide d'utilisation
• Freescale
  1. Jeu d'outils de connectivité sans fil Beekit
• Microchip
  1. Note d'application AN1629 : Estimation simple du bilan de liaison et mesures des performances des modules radio 2,4 GHz de Microchip