מדריך מעשי לפיתוח מוצרי Internet of things (“IoT”) Wi-Fi

האינטרנט של הדברים (IoT) והביקוש לעובדים
(מידע מאתר jobinfo) הביקוש לעובדים בהייטק נתון באופן תמידי להשפעות דרמטיות בשל עלייתן וירידתן של טכנולוגיות שונות. אם נבחן את העשורים האחרונים נראה כי התופעות הללו מתרחשות בגלים ומשפיעות על תחומי העיסוק וסוגי ההתמחות של המקצוענים שהשוק צמא להם בכל רגע נתון. דוגמה לכך ניתן לראות בזינוק הדרמטי שחל בשנים האחרונות בביקוש למפתחי אנדרואיד ו-iOs בצל נהירה המונית של המשתמשים לסמארטפונים והעברת השימוש אליהם על חשבון מחשבי דסקטופ או מדיה מסורתית כגון טלוויזיה. המעבר למובייל בשילוב התפתחות המחשוב והאחסון בענן גרמו גם להתעוררות ולזינוקים בביקוש לעובדים בתחומי האבטחה השונים.
בימים אלה, נראה כי התחום הבא שיגרום לקפיצת המדרגה הדרמטית ביותר מבחינת ביקוש לעובדים הוא “האינטרנט של הדברים” (IoT). מדובר בתפיסה שלפיה כל חפץ ניתן לחיבור לאינטרנט ולמערכות גלובליות ומורכבות המתקשרות ביניהן ומחליפות מידע. בדרך זו ניתן לשלוט עליהן מרחוק, ואפילו לבנות מערכות אוטונומיות שמגיבות לחיווי מסנסורים שונים. זה מתחיל בפריטי מחשוב לבישים המחוברים ביניהם, מקיף אותנו בבית החכם, ומתקדם עד לניהול תשתיות מתקדם ויעיל בערים חכמות באמצעות מערכות IoT המסנכרנות תהליכי מאקרו בין מערכות.

על פי דו”ח של חברת המחקר IDC, מספר המכשירים המחוברים ל-IoT שאינם מחשבים יעלה מ-10.3 מיליון ב-2014 לכמעט 25 מיליארד ב-2020. מהדו”ח עולה כי ההכנסות בתחום יכפילו את עצמן בערך פי שלושה, לסך של 1.7 טריליון דולר ב-2020. דו”ח של גרטנר צופה כי עד 2020 יהיו 25 מיליארד מחשבים ומכשירים אחרים המחוברים לרשת. בכנס הרצליה שהתקיים ביוני 2015 במרכז הבינתחומי, הכריז ריק קפלן, מנכ”ל יבמ ישראל כי שליש מהכנסות החברה, כ-30 מיליארד דולר, מגיע מהאינטרנט של הדברים. תערוכת תעשיית השבבים 2015 ChipEx הוקדשה בעיקרה לפיתוחים וחידושיים במגזר ה-IoT והשפעתם על תעשיית המיקרואלקטרוניקה. במסגרת זו כעשרים חברות הזנק בתחום ה-IoT הציגו את פיתוחיהן במהלך הכנס.
חברות הייטק בישראל ובעולם כבר משקיעות הרבה בפיתוח התחום. לאחרונה הכריזה אינטל על הקמת מעבדה בחיפה לפיתוח IoT. סיסקו ודויטשה טלקום הודיעו אף הן על השקעה בחממות פיתוח בתחום. חברת אפל השיקה בשנים האחרונות את ה-HomeKit שיאפשר בניית סביבה של בית חכם מבוסס. IoT סמסונג השיקה את Tizen התומכת ביכולות הללו, ולאחרונה דווח כי גם גוגל עובדת בחשאי על מערכת הפעלה ייעודית ל-IoT ועוד מספר סטארט-אפים הפועלים בתחום, חלקם באופן דיסקרטי. הטכנולוגיה הולכת ומבשילה, השוק מתחיל להיות צמא למוצרים ופתרונות, המשקיעים מבחינים בכך וכסף גדול מתחיל לזרום לחברות העוסקות בתחום. אותו כסף גדול נושא עמו משמעות אחת מובהקת – ביקושים הולכים וגדלים לעובדים בתחום.
חברות העוסקות בפיתוח IoT זקוקות למספר רב של התמחויות, ובהתאם לכך נוצר גם הביקוש לעובדים. הפיתוחים בתחום נוגעים למגוון רחב במיוחד של תחומים, בהם – התקני חומרה, סנסורים פיזיים שונים, מערכות מחשוב ובינה מלאכותית, תעבורת מידע בהיקפים גדולים, תקשורת אלחוטית בין מכשירים, תקשורת סלולרית, הגנת סייבר, מחשוב ענן, ועוד.
בחודשים האחרונים, עם תחילת ה”הייפ” סביב הנושא והגידול בהשקעות, מורגשת בשוק התעוררות בביקוש לעובדים בעלי ידע משולב שיכולים להתמודד עם המורכבות בחיבור שבין המכשירים והתחומים. חברות רבות בתחום מחפשות עובדים ומפתחים עם ניסיון והכרות מעמיקה Multi discipline designs וידע והבנה בתחום:
wireless networking, RF design, low energies, Firmware ,Hardware, Sensors, low cost designs.

מהם הרכיבים המובילים בשוק לפיתוח מוצר שעונה על כל הדרישות שלעיל?
שתי חברות בעולם מציגות רכיבים שבולטות מבחינת cost – performance:
חברת QUALCOMM עם משפחת רכיבים בשם CSR1010 בתחום Bluetooth Smart וחברת Espressif עם משפחת רכיבים בשם ESP8266 בתחום ה-Wi-Fi. בצורה מפתיעה עלות מעגל מושלם עם CSR1010 או ESP8266- מורכב עם כל הרכיבים, הינה כ-2 USD. במחיר כה נמוך של ESP8266 וביצועים מרשימים אין מתחרים בשוק כיום. במאמר זה נתמקד ברכיב ESP8266. במאמרי המשך נתאר גם את CSR1010 ורכיבי Bluetooth Smart אחרים בשוק.
כל שנדרש לחיבור ESP8266 הינו רכיב זיכרון SPI בגודל 1Mbit בעלות של כ-0.2 USD וקריסטל 26Mhz. היציאה לאנטנה תומכת תאום עכבות דינמי ברמת הרכיב. הרכיב נצרב בתוכנה חדשה ומתקשר בערוץ טורי סטנדרטי . כאנטנה ניתן לחבר רכיב אנטנה קרמית או אנטנה מצוירת על המעגל. שימו לב שאנטנה מצוירת יעילה בהרבה מרוב האנטנות הקרמיות ועולה פחות – במידה ואין בעיה של שטח מעגל מודפס. בכל מקרה של אנטנה מצוירת או קרמית יש לתכנן את המעגל עם ארבע שכבות 1.6mm כאשר מעגל האדמה מתחת לשכבת ה-TOP חייב להיות במרחק 0.254mm בכדי לקבל את 50 האום לתהודה עם האנטנה. במידה ועובי אחר של מעגל נבחר, יש לתכנן את רוחב ה-Microstrip לאנטנה, המרחק ל-GND משני הצדדים ומרחק לאדמה בשכבה התחתונה בכדי לשמר 50 אום.
הכלי TXLINE ׁ(איור 2) משמש לחישוב 50 אום במעגל מודפס. תכנון תאום אנטנה נכון מבטיח שידור לטווח מקסימלי וצריכת אנרגיה מינימלית מהסוללה. חוסר תאום יוצר בעיית גלים עומדים ועיוות המידע המשודר והנקלט. באיור 3 ניתן לראות מספר תמונות של מעגל מודפס עם רכיב ESP8266. מודלים אילו ניתן לקנות בסין במספר דולרים בודדים ולתכנת עם USB UART במחיר 3 דולר.
ESP8266 עובד ב-3.3 וולט ויש להקפיד לא לחבר אותו ל-USB UART ב-5 V
USB UART TX מחובר ל-ESP8266 RX
USB UART RX מחובר ל-ESP8266 TX
USB UART 3V3 מחובר ל-ESP8266 3V3
USB UART GND מחובר ל-ESP8266 GND
חיבור ESP8266 לתכנות ראשוני פשוט ביותר: יש לחבר את Gpio0 ל-GND ולהפעיל את המעגל. כאשר ה-Firmware ESP8266 מזהה את Gpio0 ב-GND מופעל נוהל צריכה ומידע מהערוץ הטורי מועבר ל-SPI FLASH רצוי להשתמש בתוכו תיעודיות כמו ESP8266 flasher. ESP8266 תומך בשפה עלית כמו LUA. לפיכך ניתן לצרוב Firmware שה-LUA כבר מוטמע בה. חברת NodeMCU מפיצה קוד פתוח עם Firmware מוכן. לאחר צריכת הקוד, יש לחבר את ה-Gpio0 ל-3V3 ולבצע RESET.

מומלץ להריץ את תוכנת ESP8266 LuaLoader בכדי להטעין פקודות בשפת LUA.
להלן מספר דוגמאות שמראות על הקלות בתכנות של ESP8266 ב-LUA. כמובן לאחר התכנות הרכיב ירוץ לבד ללא כל MCU נוסף. כל שנדרש למערכת Internet of Things מושלמת הינו סנסורים על ערוץ I2C או SPI.

Connect to your AP

Manipulate hardware like an Arduino

Write a network application in Node.js style

Or a simple HTTP server

Connect to MQTT broker

Do something shiny with an RGB LED

And blink it

If you want to run something when the system boots

Add a simple telnet server to the Lua interpreter

 

ה-ESP8266 מצטיין בצריכת אנרגיה נמוכה בעבודה רגילה כ-internet of things (“IoT”) controller. אך חייבים לזכור שבהתעוררות ראשונית או שידור בהספק מקסימלי צריכת האנרגיה יכולה לקפוץ רגעית ל-80mA או ל-120mA לפיכך ספק כוח טוב וסט קבלים מחויב במקרה של סוללות. לתמיכה נוספת ניתן לפנות ל-Skype: nissim.test
לסיום, מובא להלן מידע מתוך דפי נתונים של הרכיב:
Spec list of ESP family ESP8266/ESP8285, ESP8266 is a low power 32-bit processor chip that also integrates a complete and self-contained Wi-Fi networking solution.
ESP8266 can host applications and/or to offload Wi-Fi networking functions from another application processor.
As ESP8266 has a powerful on-board processor, it is often used as the main controller in IoT applications to connect to sensors and other application
specific devices, and to send / receive data from the cloud services, via Wi-Fi
ESP8266 is the most integrated processor chip with Wi-Fi capabilities in the industry with only 7 external components. The solution occupies minimal PCB area.
ESP8285 is ESP8266 embedded with 8 Mbit flash. The chip is designed to save PCB area and is specially designed for wearable device.
ESP8089 is a highly-integrated 2.4G Wi-Fi SoC, offering a complete Wi-Fi solution for devices that demand high-speed data transmission such as tablets, set-top box, smart TV, etc.
The high on-chip integration of ESP8089 requires only minimal external components and PCB area, which saves manufacturing cost.
ESP8689 integrates BT functionality, along with 2.4G Wi-Fi functionality. Being a combo chip, it is suitable for tablets, set-top box, smart TV, etc.
ESP8089 / ESP8689
Dual Processor: Dual 32-bit Xtensa LX6 MCU
Faster Wi-Fi: 802.11 b/g/n Wi-Fi upgraded to HT40
Bluetooth: Supports traditional Bluetooth and BLE
RAM: 512 512 kBytes SRAM
Security: Hardware accelerators for AES and SSL, flash encryption
Low Power: 2μA sleep, supports several different sleep modes
Rich Peripherals: 2μA sleep, supports several different sleep modes Supports traditional Bluetooth and BLE

הכותב, דר’ ניסים צור הינו מנהל פיתוח בחברת elinistech שמתמחה בפיתוח שירותים ומוצרים לשוק IOT, כולל רישוי תכנונים מוכנים לייצור ב-Bluetooth Smart & Wi-Fi משלב הרעיון עד לייצור סידרתי.