إنشاء ملف IOT يتطلب التصميم فهماً عميقاً لحالات الاستخدام ، وقائمة طويلة من المفاضلات بين مختلف المكونات والتقنيات لتوفير أفضل حل عند نقطة السعر المناسبة.
يعد تعظيم الميزات والوظائف مع تقليل التكاليف عملية موازنة مستمرة ، وقد يكون عدد الاختيارات هائلاً. تتضمن القائمة اختيار SoC ونظام التشغيل وبروتوكولات البرامج وخيارات الاتصال اللاسلكي والتردد اللاسلكي واستخدام الشبكة وإدارة الطاقة والحرارة وعمر البطارية ومعايير إنترنت الأشياء المتوفرة. العوامل الأخرى التي تؤثر على هذه الاختيارات هي احتياجات الأمن السيبراني ، وتواتر التشغيل ومعدلات البيانات ، ومتطلبات الوقت الفعلي والكمون ، وحجم الحمولة الصافية ، والأمن السيبراني ، والصلابة لكل من المستهلك والمستوى الصناعي ، والتعبئة والحجم ، وموثوقية النظام ، والذكاء الاصطناعي ، وقيود التكلفة الإجمالية.
قال رون لومان ، مدير التسويق الاستراتيجي في شركة إنترنت الأشياء: "تتعرض تصاميم أنظمة إنترنت الأشياء لضغط مستمر لخفض التكاليف" سينوبسيس. "في بعض الأحيان يكون من الصعب إضافة ميزة جديدة إذا كانت ستكلف أكثر. خذ على سبيل المثال المعينة السمعية ، التي تدمج بعض قدرات الطاقة المتقدمة جدًا في التكنولوجيا لتمكين طاقة أقل بكثير لمعالجة الصوت في جهاز صغير. في حين أن الشركات المصنعة للمعينات السمعية تقوم بذلك منذ سنوات ، فإن باقي مساحة إنترنت الأشياء لم تعتمد بعض هذه التقنيات نظرًا لوجود تكلفة متزايدة مرتبطة بهذه التقنيات. كانت هناك دائمًا مفاضلة بين كفاءة الطاقة والتكلفة المنخفضة ، بحيث يكون هناك دائمًا سؤال حول المبلغ الذي يرغب العملاء في دفعه مقابل عمر أطول للبطارية. هناك تقنيات وتقنيات وتحسينات متقدمة تستغرق وقتًا طويلاً لتطويرها أو تكلف الكثير. إلى أن يتوصل مقدمو الحلول إلى حلول متكاملة لتتفوق على ترقيات الجيل التالي الإضافية الشائعة التي يقوم بها بائعي أشباه الموصلات التقليديين ، ستستمر التكلفة في أن تكون المحرك الأساسي لقرارات تصميم IoT SoC ، لا سيما للتطبيقات الاستهلاكية والصناعية. "
تأثير تحسين التصميم على التصميم العام
يعد تحسين تصميم إنترنت الأشياء خاصًا بالتطبيق ويؤثر على معلمات التصميم الإجمالية. على سبيل المثال ، في مصنع كيميائي كبير ، تعتبر مراقبة درجة الحرارة أمرًا مهمًا. يمكن أن تكون عملية التعطل خطيرة عندما تكون درجة الحرارة مرتفعة للغاية ، مما يؤدي إلى حدوث تسربات كيميائية وانفجارات خطيرة. يمكن استخدام إنترنت الأشياء لمراقبة درجة الحرارة وكذلك التسريبات.
في هذه الحالة ، تكون متطلبات التصميم الشاملة في الواقع بسيطة للغاية. يحتاج نظام إنترنت الأشياء لمراقبة درجة الحرارة فقط إلى تتبع ما إذا كانت درجة الحرارة تتجاوز حدًا محددًا مسبقًا. في حالة اكتشاف التسرب ، سيتعين على النظام فقط اكتشاف وجود تسرب.
هنا ، تحتاج وحدة MCU في نظام اكتشاف التسرب القائم على إنترنت الأشياء فقط إلى التفاعل مع المستشعر كل 30 ثانية أو أقل. عندما يكون هناك تسرب ، يرسل إنترنت الأشياء تنبيهًا إلى الخادم أو المدير المسؤول ولكنه يظل في وضع السكون بخلاف ذلك. حتى عند ضبط التنبيه أو التنبيه ، فإنه لا يتطلب سوى حزمة صغيرة دون الحاجة إلى إنتاجية عالية. يمكن استخدام العديد من الشبكات اللاسلكية منخفضة الطاقة مثل Matter و LTE-M و Wi-SUN.
وبالمثل في تطبيق المراقبة ، حيث يتم تخزين الكاميرات في مصنع كبير به إعداد متعدد المصانع ، يلزم دفق فيديو دوري باستخدام Wi-Fi أو تقنيات مماثلة. في هذا السيناريو ، مطلوب إنتاجية أعلى لدعم الفيديو. تؤثر الطاقة الإضافية اللازمة لدعم الإنتاجية العالية على عمر البطارية الإجمالي. إذا كانت التركيبات تشتمل على إشارات ضوئية للشوارع الذكية أو إشارات المرور ، فهناك قلق أقل بشأن عمر البطارية نظرًا لوجود مصدر طاقة متاح في العادة.
قال Sailesh Chittipeddi ، نائب الرئيس التنفيذي في شركة Renesas. "لم تعد وحدات المعالجة المركزية (CPU) تقوم بوظائف X و Y و Z حيث لا يوجد حمل عمل زائد مرتبط بها. لم يعد هذا هو الحال. لهذا السبب أصبحت كل هذه الشركات أكثر عمودية - لدفع الحلول التي يحتاجونها. وأصبح التفاعل بين الميزات الكهربائية والميكانيكية أكثر أهمية بكثير ، حيث يمكن أن يحدث موضع موصل معين فرقًا. هذا هو السبب في أن المزيد من شركات CAD تدخل بشكل متزايد في الدعم على مستوى النظام والتصميم على مستوى النظام. "
ماذا تريد ان تحقق؟
أشار والت ماكلاي ، رئيس شركة فولر سيستمز الاستشارية لتصميم إنترنت الأشياء ، إلى ثلاثة مجالات مهمة في تحسين أجهزة إنترنت الأشياء - عمر البطارية والتكلفة والحجم. قال "هذا مهم بشكل خاص للأجهزة القابلة للارتداء ، لكن معظم أجهزة إنترنت الأشياء بها هذه المشكلات". "لا يمكنك أبدًا الحصول على كل ما تريد. إنها مسألة اختيار المفاضلات ، والتصميم الهندسي يدور حول المقايضات ".
لتحقيق كفاءة الطاقة ، يعد اختيار المعالجات وأجهزة الاستشعار منخفضة الطاقة أمرًا ضروريًا ، ولكن يجب أيضًا أن تكون هناك قوة معالجة كافية أو سرعة للمهمة التي يحتاجها الجهاز.
قال ماكلاي: "بالإضافة إلى ذلك ، اختر الاتصال اللاسلكي الأقل قوة والذي سيعمل في التطبيق". "تتميز تقنية Bluetooth LE بأقل استهلاك للطاقة مقارنةً بالشبكة اللاسلكية القياسية ، ولكنها ترسل فقط من 10 إلى 30 قدمًا. إذا كنت بحاجة إلى الإرسال إلى الإنترنت بدون هاتف خلوي ، فإن NB-IoT أو LTE-M هي تقنيات لاسلكية منخفضة الطاقة ومنخفضة السرعة ترسل لأميال ".
علاوة على ذلك ، يجب كتابة البرنامج واختباره بعناية للتأكد من أنه أقل طاقة يمكن أن توفرها الأجهزة. ويجب إيقاف تشغيل أجهزة الاستشعار وأجهزة الإرسال وأجزاء أخرى من المعالج عند عدم استخدامها.
الشكل 1: مقارنة بين شبكات المنطقة الواسعة منخفضة القدرة. المصدر: أنظمة فولر
تشمل اعتبارات تصميم كفاءة الطاقة الأخرى اختيار أفضل خيارات الاحتفاظ بالذاكرة وحجم كتلة الذاكرة والحوسبة والذاكرة ، بالإضافة إلى استخدام مسرعات أجهزة الذكاء الاصطناعي إذا كانت هناك حاجة إلى الذكاء الاصطناعي. اعتمادًا على التطبيق ، قد يحتاج التصميم إلى التحسين بشكل مختلف.
إطالة عمر بطارية إنترنت الأشياء
نظرًا لأن إنترنت الأشياء يعمل في الغالب على البطاريات ، فإن تحسين عمر البطارية أمر أساسي للبقاء في حدود الميزانية.
قال براكاش مادفاباثي ، مدير تسويق المنتجات لـ Tensilica audio / voice DSPs في إيقاع. "عندما يعمل الجهاز لجزء من اليوم فقط ، يجب ألا يكون عنصر المعالجة نشطًا أثناء عدم إنتاج بيانات مستشعر نشطة. على الجانب الآخر ، من المهم أن تبدأ المعالجة بعد وقت قصير من تشغيل الجهاز ، مما يؤدي إلى تجنب التدخل اليدوي. قد يعني طلب إشراف المشغل ضياع فرص للمعالجة ".
ومع ذلك ، إذا كان عنصر المعالجة يحتوي على جزء صغير موفر للطاقة ليتم تشغيله دائمًا (AON) أثناء إيقاف تشغيل المعالجة الرئيسية ، يتم الاحتفاظ بشحن البطارية عندما يكون الجهاز غير نشط.
قال Madhvapathy: "يمكن لجزء AON اكتشاف تشغيل الجهاز وإيقاظ كتلة المعالجة الرئيسية". ”بينما القليل IIoT تستخدم الأجهزة هذه التقنية لإطالة عمر البطارية ، إلى حد كبير لم تتمكن من الوصول إلى البنى التي تجعل ذلك ممكنًا. مثال على مجموعة DSP التي تمكّن حالة الاستخدام هذه ، يمكن أن يكون Cadence Tensilica HiFi 1 DSP اندماج المستشعر في مجال AON إلى جانب HiFi 5 DSP لمعالجة مجال الأداء. تم تصميم HiFi 1 DSP لأداء اندماج المستشعر في وضع الطاقة المنخفضة للغاية أثناء البحث عن نشاط مستشعر ذي مغزى. يحافظ على HiFi 5 DSP في وضع خفض الطاقة حتى يستشعر تشغيل الجهاز. في هذه المرحلة ، يمكنه تشغيل HiFi 5 DSP ، ويمكن لـ HiFi 5 DSP المعالجة حسب الحاجة للوضع النشط. "
على نفس المنوال ، تهدف تقنية Arm's Helium إلى التصاميم التي تحتاج إلى الذكاء الاصطناعي وبالتالي تتطلب أداء معالجة إشارة أعلى. قال توماس لورنسر ، مدير من حساب الأغراض العامة في ذراع. "حالات الاستخدام مثل التعرف على الكلام لها أعباء عمل أقل تطلبًا وقد تحتاج إلى قدرة أقل على التعلم الآلي. بالإضافة إلى ذلك ، قد يكون جزء من الشريحة غير نشط ، مما يؤثر على إجمالي استهلاك طاقة الشريحة. سيساعد اختيار عنوان IP المناسب للتطبيقات على تحقيق كفاءة أعلى في استخدام الطاقة في التصميم. إذا تطلب سير عمل التصميم التعلم الآلي مع تسريع معالجة الإشارات ، فسوف يستهلك المزيد من الطاقة ".
رقائق إنترنت الأشياء الموفرة للطاقة
لتمكين الفرق الهندسية من تصميم منتجات موفرة للطاقة ، تظهر تقنيات جديدة مثل شريحة Wi-Fi + Bluetooth من InnoPhase. مع الإرسال عند 81 مللي أمبير ، والاستقبال عند 37 مللي أمبير ، وخامل حوالي 150 أمبير (اسمي) ، من المفترض أن يستمر لمدة تصل إلى عام.
الشكل 2: افتراضات استخدام رقاقة Wi-Fi الموفرة للطاقة. المصدر: InnoPhase
تتميز تقنية Wi-SUN المصممة للمدن الذكية ، بما في ذلك شبكات الطاقة الذكية ، بمواصفات تصميم لعمر بطارية يصل إلى 20 عامًا. هناك العديد من موردي الرقائق الذين يدعمون Wi-SUN ، بما في ذلك Texas Instruments و Silicon Labs. شريحة Wi-SUN من Silicon Labs ، والتي تتضمن ميزة الأمان "Secure Vault" تستهلك 2.6 ميكرو أمبير فقط في وضع السكون العميق. بالمقارنة ، تستهلك شريحة Texas Instruments Wi-SUN 0.85 μA فقط في وضع السكون مع الاحتفاظ الكامل بالذاكرة وتشغيل الساعات.
قال نيك داتون ، كبير مديري تسويق المنتجات في Atmosic ، إنه من أجل عمر أطول للبطارية ، من خلال دمج كتلة حصاد الطاقة في IoT SoC ، من الممكن تنفيذ تقنيات إنترنت الأشياء الخالية من البطاريات أو تثبيت بطارية تدوم مدى الحياة. "يمكن لشركة SoC أن تحصد الطاقة ليس فقط من الضوء ، ولكن من الطاقة القريبة المتولدة من الهاتف المحمول وما شابه. سيكون هذا هو التطبيق المثالي في متاجر البيع بالتجزئة ، حيث يمكن تحديث بطاقات الأسعار الإلكترونية لاسلكيًا ".
أحد الاعتبارات المهمة هو أن البطاريات المخصصة للمستهلكين لها مدة صلاحية أقصر وقد تتسرب مواد كيميائية بمرور الوقت. بالنسبة لتطبيقات إنترنت الأشياء ، هناك حاجة إلى بطاريات من الدرجة الصناعية.
الشكل 3: شركة SoC الخالية من البطارية تشتمل على كتلة لتجميع الطاقة. المصدر: Atmosic
في حين أن المزيد والمزيد من إنترنت الأشياء يتضمن الذكاء الاصطناعي ، ما مقدار ما هو مطلوب حقًا؟
كما هو موضح في الأمثلة أعلاه ، فإن تطبيق مراقبة اكتشاف التسرب له نمط بسيط يمكن التنبؤ به. إما أن يكون هناك تسرب أو لا يوجد تسرب. لا يتطلب التصميم وحدة MCU عالية الأداء. ولكن في تطبيقات مثل المراقبة وأمن المصنع ، قد يكون الذكاء الاصطناعي مطلوبًا. لمنع الأفراد غير المصرح لهم من الدخول ، يتم تثبيت كاميرات عالية الدقة لمصادقة هوية الأفراد المعتمدين. قد يتطلب ذلك بطاقة هوية مع اكتشاف الوجه أو بصمة الإصبع. قد يرتدي العمال القفازات في مصنع خارجي. في هذه الحالة ، يكون اكتشاف الوجه مطلوبًا وكذلك الذكاء الاصطناعي. لكن ليس كل تطبيق يتطلب الذكاء الاصطناعي.
أوضح لومان من سينوبسيس أن هناك الكثير من الابتكارات في مجال إنترنت الأشياء. قال: "تقليديًا ، يواصل مطورو IC يدفعون نحو أداء أعلى وخفض التكاليف مع دخول منتجات أو إصدارات جديدة إلى السوق". تساعد الترددات العالية وتقليص عقد العملية من الجيل التالي في تحسين أداء السعر. منذ عدة سنوات ، كان هناك دفع لإضافة بروتوكولات إنترنت الأشياء ، بما في ذلك التقنيات الخلوية مثل LTE-M ، وإنترنت الأشياء ضيق النطاق ، و LoRaWAN. ما زلنا نرى التغيير مع البروتوكولات الجديدة ، وآخرها "المادة" والترقيات إلى البلوتوث ".
يتم اليوم وضع المزيد من التفكير في التطبيقات ، وتحديداً أعباء عمل الذكاء الاصطناعي. قال لومان: "أحد أكبر العوامل المحركة في السوق اليوم هو استيعاب أعباء عمل الذكاء الاصطناعي ، والتي تقود تصميمات الجيل التالي". "قد يكون هذا أمرًا صعبًا لأن أجهزة إنترنت الأشياء لديها القليل جدًا من الذاكرة وموارد الحوسبة. عند تنفيذ أعباء عمل الذكاء الاصطناعي ، لا يمكنك أبدًا الحصول على ما يكفي من ذاكرة SRAM على الرقاقة ، لذلك نرى المزيد والمزيد من الشركات تتبنى ذكريات عالية الكثافة - بدءًا من مركز البيانات وصولاً إلى أجهزة إنترنت الأشياء الأصغر. أعباء عمل الذكاء الاصطناعي هي وظائف حسابية مكثفة. وبالتالي ، تستمد أجهزة إنترنت الأشياء مزيدًا من الطاقة. لذلك ، هناك تحدٍ صعب في التصميم - خفض الطاقة والتكلفة ، لكن استوعب الوظيفة اللازمة لـ "التطبيقات القاتلة".
ومما يزيد التحدي هو أنه في معظم الحالات ، لا تكون أحدث التطبيقات ناضجة تمامًا أو تتغير دائمًا بسبب سرعة الابتكار. قال لومان: "هذا يعني أن أهداف التصميم لا يمكن تحقيقها إلا من خلال استيعاب أعباء عمل الذكاء الاصطناعي المحددة وزيادة كفاءة الحوسبة والذاكرة المتاحة في حدود الطاقة المطلوبة وميزانيات التكلفة". ونتيجة لذلك ، يجب أن تستمر الحلول القائمة على إنترنت الأشياء في تقليل التكلفة والطاقة ، مع محاولة استيعاب وظيفة معالجة مكثفة. يعمل هذا الجهد على تسريع التغييرات التدريجية في توليد مساحة إنترنت الأشياء عبر الجيل بدلاً من عمليات نقل الأجهزة شديدة الاضطراب. نتوقع أن نستمر في رؤية ترقيات تدريجية لشركة نفط الجنوب لمواكبة تحديات الخوارزمية والتحسين ".
عند إضافة الذكاء الاصطناعي إلى تصميم إنترنت الأشياء ، من المهم الحصول على أفضل أداء من أقل الأجهزة.
أشار جيف تيت ، الرئيس التنفيذي لشركة فليكس لوجيكس. "كل تطبيق مختلف ، وامتلاك المقدار المناسب من الذكاء الاصطناعي عن طريق ترخيص العدد الصحيح من المربعات سيعمل على تحسين الأداء وكفاءة الطاقة في نفس الوقت."
أصبح الأمن سمة أساسية
قائمة هجمات البرامج الضارة على إنترنت الأشياء لا حدود لها تقريبًا. في تقرير جديد بعنوان "يمكن للتقنيات المتصلة بالإنترنت تحسين الخدمات ، لكنها تواجه مخاطر الهجمات الإلكترونية ،أشار مكتب المحاسبة الحكومية الأمريكية إلى قائمة طويلة من أنواع الهجمات ، بما في ذلك شبكات الروبوت ، وخروقات البيانات ، ورفض الخدمة (DDoS) ، والبرامج الضارة ، و man-in-the-middle ، و ransomware ، وإدخال لغة الاستعلام المهيكلة (SQL) ، وعدم استغلال-يوم. هذه ليست سوى البداية. تستمر الهجمات الإلكترونية الجديدة في الظهور.
ستكون أنظمة الرش الذكية في مجمع صناعي كبير قادرة على اكتشاف المطر لإغلاق الصمامات لتوفير المياه. إذا تم اختراق النظام ، فقد يتم استخدام كمية كبيرة جدًا أو قليلة جدًا من الماء. قد تكون النتائج عبارة عن عشب عطشان مع بقع بنية اللون أو فاتورة مياه زائدة. ولكن قد يتمكن المتسللون أيضًا من استخدام نظام الرش هذا لمهاجمة الخادم إذا لم تكن البوابة مؤمنة. في تطبيق المدينة الذكية ، قد يتسبب اختراق إنترنت الأشياء في حدوث خلل في إشارات المرور أو إعادة توجيه سيارة الإسعاف ، وكلاهما قد يكون له عواقب وخيمة أو حتى مميتة.
لقد ثبت أن المتسللين يمكنهم استخدام أداة قرصنة بقيمة 170 دولارًا ، مثل Flipper Zero ، للتحكم في إشارات المرور عن طريق تحويلها إلى اللون الأخضر. تتجاوز الأضرار المحتملة الناتجة عن التحكم في إشارات المرور إلى أبعد من قرصنة الرشاشات. هذا مشابه لتأمين الباب الأمامي. كم عدد القفل الذي تريد وضعه على الباب؟ في تصميمات إنترنت الأشياء ، ما عدد طبقات الحماية التي تريد تنفيذها؟
العديد من معايير إنترنت الأشياء الشائعة ، بما في ذلك Matter و Wi-SUN و LoRaWAN وحتى 5G لديها بالفعل أمان مدمج في مواصفاتها. هذه كافية لمعظم تطبيقات إنترنت الأشياء. للحماية من المتسللين المتطورين للغاية ، قد يلزم نشر طبقات إضافية من الأمان.
مارتن برون ، العضو المنتدب في الصدمة، لاحظ أن هجمات إنترنت الأشياء آخذة في الازدياد وأنه قد يلزم بذل جهود إضافية لزيادة الحماية الإلكترونية. "في حين أن تطبيق إنترنت الأشياء يمكن أن يكون بسيطًا مثل الإضاءة الذكية التي يتم التحكم فيها عن طريق الصوت ، إلا أنه يمكن أن يكون معقدًا مثل نظام المراقبة المستخدم في الصيانة الوقائية في مصنع ذكي. في نظام إنترنت الأشياء الأكثر تعقيدًا ، تريد زيادة الأمن السيبراني من خلال تعريض التصميمات لهجمات البرامج الضارة في المختبر لمعرفة ما إذا كانت التصميمات يمكنها الحماية من مثل هذه الهجمات قبل عمليات النشر الحقيقية ".
نظرًا لأن تصميمات إنترنت الأشياء تتراوح من البسيط جدًا إلى شديد التعقيد مع الحوسبة المتطورة والذكاء الاصطناعي مع إمكانات التحليلات ، فإن مقدار الأمان يعتمد على الاستخدام. بالنسبة للتطبيقات ذات قيود التكلفة ، فإن الأمان الأساسي بما في ذلك التمهيد الآمن وحماية تصحيح الأخطاء وتحديثات البرامج الثابتة كافٍ. أشار إريك وود ، المدير الأول لأمن منتجات إنترنت الأشياء ، وإنترنت الأشياء ، والحوسبة ، والأعمال اللاسلكية ، والأنظمة الآمنة المتصلة في انفينيون تكنولوجيز. وهذا من شأنه أن يضيف وقت المعالجة واستهلاك الطاقة. سيحتاج المطورون إلى تحديد أولويات خيارات التصميم ، ومن المهم تحسين تصميم الأمان لزيادة كفاءة الطاقة ".
بينما تعد إضافة الأمان وتقليل التكلفة مقايضة ثابتة ، فقد يكون هناك حل محتمل.
قال بارت ستيفنز ، المدير الأول لتسويق المنتجات من أجل أمان IP في شركة رامبوس. على الرغم من أن إضافة الأمان إلى هذه الأجهزة يحمي العملاء ، إلا أنه يضيف في النهاية تكاليف التطوير ويقلل من الأداء وكفاءة الطاقة للجهاز نفسه. ومع ذلك ، عند استخدام مسرعات التشفير المخصصة - يتم التخلص من هذين العيبين الأخيرين. مقارنةً بمعالجة وحدة المعالجة المركزية لحسابات التشفير نفسها ، تستخدم تطبيقات أجهزة التشفير المخصصة طاقة أقل بنسبة 90٪ لمثل هذه المهام ، مع تحسين الأمان بشكل كبير دون تقليل أداء الحوسبة. "
وفي الختام
سوف تستمر شرائح وتقنيات إنترنت الأشياء في التطور. ستكون أكثر كفاءة في استخدام الطاقة ، وأكثر قابلية للتوسع في الذكاء الاصطناعي ، مع أمان وتكامل أفضل. سيظل شحذ التحسينات يمثل تحديًا ، وستحتاج الفرق الهندسية إلى التركيز على حالات الاستخدام ، وكيفية تطبيق التقنيات والأساليب الجديدة لتحقيق متطلبات التصميم الخاصة بهم.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- المصدر https://semiengineering.com/options-widen-for-optimizing-iot-designs/