物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用的開發(fā)人員需要確保他們的無(wú)線傳感器系統(tǒng)能夠無(wú)縫連接到基于云的軟件和服務(wù)。但是，這通常需要選擇和使用多個(gè)無(wú)線接口。確保這些接口都能滿足他們的要求，可讓他們不再將注意力集中在更高級(jí)別的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用本身。

為了解決這個(gè)問題，許多供應(yīng)商都提供了開發(fā)板和軟件，幫助物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員快速部署能夠通過局域網(wǎng)、中型網(wǎng)絡(luò)和廣域網(wǎng)進(jìn)行無(wú)線連接的傳感器設(shè)備。

本文將介紹 Pycom Ltd.提供的一個(gè)此類解決方案，并說明其特征和特性，然后展示如何應(yīng)用。

對(duì)于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，高效的無(wú)線連接是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要求。迄今為止，沒有任何一種無(wú)線技術(shù)成為首選的連接解決方案。事實(shí)上，沒有任何一種無(wú)線技術(shù)可能占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，因?yàn)闊o(wú)線提供商總能提供更加有效的替代方案。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的使用案例非常多，這就使得單一連接解決方案的概念變得更加復(fù)雜。相同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可能提出不同的連接要求，這取決于用戶的物理位置、數(shù)據(jù)吞吐量要求和其他條件。有時(shí)，同一個(gè)應(yīng)用可能要求同一部物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備支持使用藍(lán)牙與附近用戶進(jìn)行交互，使用 Wi-Fi 與其他本地資源交互，使用 LTE 蜂窩網(wǎng)絡(luò)在 Wi-Fi 范圍外保持連接，甚至是使用 LoRaWAN 或 SigFox 與流入中央物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)或控制器的其他地理位置分散型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相連接。

如果這些設(shè)備能夠支持使用所有這些技術(shù)進(jìn)行靈活連接，那么將為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)人員帶來(lái)顯著競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。早期實(shí)現(xiàn)這種多技術(shù)連接的方法導(dǎo)致設(shè)計(jì)過于復(fù)雜、成本過高，或者體積過大，以至無(wú)法滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)要求。即使使用較早的無(wú)線收發(fā)器，開發(fā)人員也面臨著與射頻信號(hào)路徑優(yōu)化、降噪、物理布局等相關(guān)的挑戰(zhàn)。

對(duì)于開發(fā)人員而言，為單個(gè)無(wú)線技術(shù)構(gòu)建優(yōu)化的硬件解決方案已經(jīng)非常困難。在旨在支持多種無(wú)線技術(shù)的硬件設(shè)計(jì)中，復(fù)雜性甚至還會(huì)顯著增加。即便在設(shè)計(jì)了合適的硬件之后，軟件工程師還要應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中爭(zhēng)奪相同有限資源的多個(gè)協(xié)議棧和軟件服務(wù)。

不足為奇的是，有效的多技術(shù)無(wú)線連接解決方案的部署，在最好的情況下也是有限的。Pycom 的多技術(shù)無(wú)線板和軟件可降低無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的復(fù)雜性，只需組合一些硬件和軟件即可，從而解決了這些難題。

無(wú)線選項(xiàng)

Pycom FiPy 和 GPy 是 55 x 20 x 3.5 毫米（mm）板，旨在為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)提供完整的多技術(shù)無(wú)線解決方案。與大多數(shù)無(wú)線產(chǎn)品不同，F(xiàn)iPy 支持藍(lán)牙 4.2、IEEE 802.11b/g/n Wi-Fi、窄帶 LTE、LoRaWAN 和 Sigfox。GPy 板不包含 LoRaWAN 和 Sigfox，但提供與 FiPy 相同的功能。本文重點(diǎn)介紹 FiPy 板。

在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品中，支持 LTE 蜂窩網(wǎng)絡(luò)是一種快速興起的趨勢(shì)。Pycom 的 LTE 解決方案是為其不斷擴(kuò)大的支持蜂窩網(wǎng)絡(luò)的電路板系列而設(shè)計(jì)的，支持 LTE Cat M1 和 NB-IoT，在降低功耗的同時(shí)保持與大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備要求相符的吞吐量水平。通過利用這些不同的連接選項(xiàng)，開發(fā)人員可以優(yōu)化其無(wú)線實(shí)現(xiàn)，以滿足靜態(tài)或動(dòng)態(tài)應(yīng)用對(duì)范圍、吞吐量和功耗的需求。

該板為除連接之外的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)要求提供了一個(gè)合適的平臺(tái)。FiPy 的核心是 Espressif ESP32 SoC，集成了雙處理器、8 MB 閃存、4 MB 的 RAM，還有一個(gè)提供藍(lán)牙和 Wi-Fi 連接的射頻無(wú)線電子系統(tǒng)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處理器執(zhí)行通信協(xié)議棧時(shí)，主處理器可以運(yùn)行用戶代碼。

SoC 帶有多通道 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和一對(duì) 8 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，可以滿足基本物聯(lián)網(wǎng)感測(cè)要求。除了標(biāo)準(zhǔn)串行接口、GPIO 和串行接口，Pycom 還通過板的可配置端口，提供模擬和射頻功能（圖 1）。

圖 1：Pycom FiPy 板引出了其處理器的引腳，開發(fā)人員可以將其映射到處理器的集成模擬和數(shù)字功能。（圖片來(lái)源：Pycom）

除了廣泛的功能外，F(xiàn)iPy 還提供節(jié)能特性，以滿足以電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的節(jié)能要求。例如，開發(fā)人員可以將處理器置于深度休眠模式，并使用專用的超低功耗 (ULP) 處理器來(lái)處理 I/O 活動(dòng)，電力消耗低至 25 微安 (μA)。ULP 處理器獨(dú)立于主處理器工作，可執(zhí)行用戶代碼來(lái)訪問 GPIO，或者使用 SoC 的集成 ADC 或 DAC 執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，為開發(fā)人員提供靈活的低功耗操作平臺(tái)，而不會(huì)影響外設(shè)工作。

插件硬件增強(qiáng)

對(duì)于具有更廣泛感測(cè)要求的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，開發(fā)者可將 FiPy 與 Pycom 的 Pysense 感測(cè)板和 Pytrack 位置跟蹤板結(jié)合起來(lái)。

對(duì)于感測(cè)應(yīng)用，Pysense 板提供 STMicroelectronics LIS2HH12 加速計(jì)、Silicon Labs SI7006-A20 溫度/濕度傳感器、Lite-On LTR-329ALS-01 環(huán)境光傳感器、NXP Semiconductors MPL3115A2 壓力傳感器——所有這些均通過板的共享 I2C 串行總線進(jìn)行連接（圖 2）。在正常工作狀態(tài)下，所有這些傳感器都消耗最小的功率。例如，NXP MPL3115A2 壓力傳感器在正常采樣模式下僅消耗 40 μA，而功耗最大的傳感器 Lite-On LTR-329ALS-01 環(huán)境光傳感器則消耗大約 250 μA。其他兩個(gè)傳感器分別消耗大約 150 μA。

圖 2：通過將 FiPy 插入 Pysense 板，開發(fā)人員可以構(gòu)建出能夠使用多個(gè)無(wú)線連接選項(xiàng)的多傳感器物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。（圖片來(lái)源：Pycom）

由于 Pysense 和 FiPy 的功耗需求相對(duì)較低，開發(fā)人員可以使用電池運(yùn)行基于 Pycom 的設(shè)計(jì)長(zhǎng)達(dá)數(shù)年。Pysense 板包括 Texas Instruments 的 BQ24040 電池充電器 IC 和連接器，使用帶有 JST 連接器的合適可充電電池（例如 TinyCircuits ASR00007 270 毫安小時(shí) (mAh) 鋰離子聚合物 (LiPo) 電池）為設(shè)計(jì)供電。

對(duì)于位置跟蹤應(yīng)用，Pytrack 板結(jié)合了精確的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) GPS 傳感器和加速計(jì)，以及與 Pysense 中所用相同的 LiPo 電池充電子系統(tǒng)。

Pysense 和 Pytrack 傳感器板上的針座提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，可構(gòu)建專用于每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的硬件平臺(tái)。開發(fā)人員只需將 FiPy 板插入適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展板，即可創(chuàng)建特定的硬件配置。對(duì)于不需要 LoRaWAN 或 Sigfox 連接的應(yīng)用，開發(fā)人員可以改為使用 GPy 板。

插件軟件增強(qiáng)

對(duì)于原型開發(fā)而言，組合多個(gè)板來(lái)擴(kuò)展整體硬件功能是常見而重要的功能。但在過去，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的硬件增強(qiáng)可能會(huì)在軟件方面帶來(lái)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)殚_發(fā)人員要努力尋找和集成支持特定硬件配置所需的不同軟件驅(qū)動(dòng)程序和中間件。由于能夠支持 MicroPython，Pycom 讓應(yīng)用軟件開發(fā)變得非常簡(jiǎn)單，就如同將插件板用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備硬件一樣。

MicroPython 采用 Python 語(yǔ)言，利用面向硬件的支持來(lái)增強(qiáng)其功能。同時(shí)，MicroPython 消除了嵌入式系統(tǒng)中不需要的 Python 功能，增強(qiáng)了性能，同時(shí)減少了資源受限的嵌入式設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器空間占用。

與 Python 相同，MicroPython 讓開發(fā)人員只需導(dǎo)入一個(gè)模塊即可添加特定軟件功能。例如，開發(fā)人員只需加載 ADC 模塊和讀取值，即可對(duì) FiPy 的集成 ADC 進(jìn)行編程（列表 1）。

Copyimportmachineadc=machine.ADC()#createanADCobjectapin=adc.channel(pin='P16')#createananalogpinonP16val=apin()#readananalogvalue

列表 1：與 Python 相同，MicroPython 允許開發(fā)人員通過導(dǎo)入軟件模塊來(lái)增強(qiáng)其軟件功能，從而提供了一種簡(jiǎn)單方法來(lái)添加硬件特定的功能，如從模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 讀取數(shù)據(jù)，如下所示。（代碼來(lái)源：Pycom）

正如開發(fā)人員可以輕松地通過擴(kuò)展板來(lái)增強(qiáng)設(shè)計(jì)一樣，他們可以通過導(dǎo)入適當(dāng)?shù)哪K來(lái)增加補(bǔ)充支持。將無(wú)線板插入擴(kuò)展板后，開發(fā)人員只需將相應(yīng)的 MicroPython 模塊添加到其代碼中即可。

MicroPython 的編程模型讓開發(fā)人員能夠無(wú)縫地使用這些模塊來(lái)快速實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。與列表 1 所示的對(duì) ADC 硬件的軟件支持相同，對(duì)硬件擴(kuò)展（例如 Pysense）的軟件支持只需開發(fā)人員導(dǎo)入相應(yīng)的模塊即可。除了一套完整的傳感器專用模塊，還提供了演示其在典型軟件應(yīng)用中使用的示例軟件，可以隨時(shí)使用。例如，為了讀取 Pysense 的 SI7006A20 溫度和濕度傳感器，在實(shí)例化用于讀取傳感器的溫度值 (si.temperature()) 和濕度值 (si.humidity()) 的 SI7006A20 對(duì)象 (SI7006A20(py)) 之前，開發(fā)人員只需導(dǎo)入 Pysense 模塊和傳感器專用模塊（列表 2）。

CopyfrompysenseimportPysensefromLIS2HH12importLIS2HH12fromSI7006A20importSI7006A20fromLTR329ALS01importLTR329ALS01fromMPL3115A2importMPL3115A2,ALTITUDE,PRESSUREpy=Pysense()mp=MPL3115A2(py,mode=ALTITUDE)#Returnsheightinmeters.ModemayalsobesettoPRESSURE,returningavalueinPascalssi=SI7006A20(py)lt=LTR329ALS01(py)li=LIS2HH12(py)print(mp.temperature())print(mp.altitude())mpp=MPL3115A2(py,mode=PRESSURE)#ReturnspressureinPa.ModemayalsobesettoALTITUDE,returningavalueinmetersprint(mpp.pressure())print(si.temperature())print(si.humidity())print(lt.light())print(li.acceleration())print(li.roll())print(li.pitch())print(py.read_battery_voltage())

列表 2：開發(fā)人員可以學(xué)習(xí) Pycom Pysense API 和相關(guān)軟件示例，以便使用 Pycom Pysense 硬件板中集成的傳感器特定 MicroPython 模塊。（代碼來(lái)源：Pycom）

由于采用了這種模塊化方法，實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接同樣簡(jiǎn)單。開發(fā)人員只需為所需的無(wú)線技術(shù)導(dǎo)入適當(dāng)?shù)哪K，以及用于 HTTPS 或 MQTT 等協(xié)議的其他模塊。除了這些無(wú)線通信模塊之外，Pycom 示例軟件還演示了開發(fā)人員如何快速建立 Wi-Fi 連接，并使用 MQTT 與 Adafruit IO 等基于云的服務(wù)進(jìn)行交互（列表 3）。Adafruit IO 在原型開發(fā)免費(fèi)服務(wù)計(jì)劃中提供，是簡(jiǎn)單的云資源，設(shè)計(jì)用于創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流流程，包括輸入數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)管理和分析。

CopyfrommqttimportMQTTClientimportmachineimporttimefromnetworkimportWLANdefsub_cb(topic,msg):print(“Received:“+msg)wlan=WLAN(mode=WLAN.STA)wlan.connect("yourwifinetwork",auth=(WLAN.WPA2,"wifipassword"),timeout=5000)whilenotwlan.isconnected():machine.idle()print("ConnectedtoWifi\n")client=MQTTClient("device_id","io.adafruit.com",user="your_username",password="your_api_key",port=1883)client.set_callback(sub_cb)client.connect()client.subscribe(topic="youraccount/feeds/lights")whileTrue:print("SendingON")client.publish(topic="youraccount/feeds/lights",msg="ON")time.sleep(1)print("SendingOFF")client.publish(topic="youraccount/feeds/lights",msg="OFF")time.sleep(1)

列表 3：Pycom 的示例軟件演示了開發(fā)人員如何使用幾個(gè)簡(jiǎn)單的 Wi-Fi 模塊調(diào)用（以黃色突出顯示），通過 MQTT 與基于云的資源（例如此處所示的 Adafruit IO）進(jìn)行交互。（代碼來(lái)源：Pycom）

Pycom 多技術(shù)無(wú)線板與 MicroPython 相結(jié)合，為開發(fā)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的平臺(tái)，能夠動(dòng)態(tài)響應(yīng)不斷變化的連接環(huán)境。很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都要求隨時(shí)訪問傳入的數(shù)據(jù)流。但是，舉例來(lái)說，每當(dāng)局域網(wǎng)發(fā)生故障，或者由于干擾或網(wǎng)絡(luò)事件導(dǎo)致本地 Wi-Fi 信號(hào)強(qiáng)度下降時(shí)，應(yīng)用將無(wú)法訪問旨在通過 Wi-Fi LAN 與云進(jìn)行交互的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。但是，對(duì)于 Pycom 板，開發(fā)人員只需切換到另一個(gè)無(wú)線連接選項(xiàng)即可。

例如，要通過 LTE 蜂窩服務(wù)連接，開發(fā)人員只需使用 MicroPython LTE 模塊。相同的底層方法允許開發(fā)人員在 Wi-Fi 和 LTE 蜂窩連接之間進(jìn)行切換，而無(wú)需更改構(gòu)建來(lái)與主機(jī)交互或提供應(yīng)用級(jí)別功能的更高級(jí)代碼。例如，要使用 LTE 連接，開發(fā)人員只需加載 LTE 模塊，并且實(shí)例化相應(yīng)的 LTE 對(duì)象，然后連接到提供商服務(wù)。因此，開發(fā)人員只需稍作改動(dòng)，即可在應(yīng)用中切換到 LTE 連接（列表 4）。

CopyfrommqttimportMQTTClientimportmachineimporttimefromnetworkimportLTEdefsub_cb(topic,msg):print(“Received:“+msg)lte=LTE()lte.connect()whilenotlte.isconnected():machine.idle()print("ConnectedtoLTE\n")client=MQTTClient("device_id","io.adafruit.com",user="your_username",password="your_api_key",port=1883)client.set_callback(sub_cb)client.connect()client.subscribe(topic="youraccount/feeds/lights")whileTrue:print("SendingON")client.publish(topic="youraccount/feeds/lights",msg="ON")time.sleep(1)print("SendingOFF")client.publish(topic="youraccount/feeds/lights",msg="OFF")time.sleep(1)

列表 4：Pycom 示例軟件演示了開發(fā)人員如何使用 LTE 連接（以藍(lán)色突出顯示）而不是 Wi-Fi（在列表 3 中以黃色突出顯示），執(zhí)行與云資源交互的更高級(jí)操作。（代碼來(lái)源：Pycom）

同樣的常規(guī)方法也適用于將連接切換到藍(lán)牙、LoRaWAN 或 Sigfox，以響應(yīng)變化的條件。因此，開發(fā)人員可以構(gòu)建出能夠輕松支持各種無(wú)線連接技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。當(dāng)操作或功能要求需要切換到不同的連接選項(xiàng)時(shí)（甚至在運(yùn)行時(shí)期間進(jìn)行切換），開發(fā)人員就可以輕松實(shí)現(xiàn)所需的動(dòng)態(tài)切換功能，以保持可用性或滿足不斷變化的性能要求。

總結(jié)

開發(fā)人員可以使用專門為支持多種無(wú)線技術(shù)（包括藍(lán)牙、Wi-Fi、LTE、LoRaWAN 和 Sigfox）而構(gòu)建的 Pycom 板，快速滿足新興的無(wú)線連接要求。通過將這些板與基于 MicroPython 的軟件相結(jié)合，開發(fā)人員可以快速實(shí)現(xiàn)能夠響應(yīng)不斷變化的無(wú)線連接要求的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。