Başarılı bir oluşturma IOT Tasarım, doğru fiyat noktasında en iyi çözümü sağlamak için kullanım durumlarının derinlemesine anlaşılmasını ve çeşitli bileşenler ve teknolojiler arasında uzun bir ödünleşim listesini gerektirir.
Maximizing features and functions while minimizing costs is an ongoing balancing act, and the number of choices can be overwhelming. The menu includes SoC selection, OS and software protocols, wireless connectivity options and RF, network use, power and thermal management, battery life, and available IoT standards. Other factors affecting those choices are cybersecurity needs, operating frequency and data rates, real-time and latency requirements, payload size, cybersecurity, ruggedness for both consumer and industrial grade, packaging and size, system reliability, AI, and overall cost constraints.
Stratejik Pazarlama Müdürü Ron Lowman, "IoT sistem tasarımları maliyetleri düşürme konusunda sürekli baskı altındadır" dedi. Synopsus. “Bazen daha pahalıya mal olacaksa yeni bir özellik eklemek zordur. Örneğin, küçük bir cihazda ses işleme için çok daha düşük güç sağlamak üzere bazı çok gelişmiş güç özelliklerini teknolojiye entegre eden bir işitme cihazını ele alalım. İşitme cihazı üreticileri bunu yıllardır yapıyor olsa da, IoT alanının geri kalanı bu tekniklerden bazılarını benimsemedi çünkü bu tekniklerle ilgili artan bir maliyet var. Güç verimliliği ile düşük maliyet arasında her zaman bir denge olmuştur; öyle ki, müşterilerin daha uzun pil ömrü için ne kadar ödemeye istekli oldukları sorusu her zaman vardır. Geliştirilmesi çok uzun süren veya maliyeti çok yüksek olan ileri teknolojiler, teknikler ve optimizasyonlar var. Çözüm sağlayıcılar, geleneksel yarı iletken satıcıları tarafından yapılan ortak yeni nesil artımlı yükseltmeleri geride bırakacak entegre çözümler sunana kadar maliyet, özellikle tüketici ve endüstriyel uygulamalar için IoT SoC tasarım kararlarının ana etkeni olmaya devam edecek.”
Tasarım optimizasyonunun genel tasarım üzerindeki etkisi
IoT tasarımını optimize etmek uygulamaya özeldir ve genel tasarım parametrelerini etkiler. Örneğin büyük bir endüstriyel kimya tesisinde sıcaklığın izlenmesi önemlidir. Arızalı bir süreç, sıcaklık çok yüksek olduğunda tehlikeli olabilir, bu da tehlikeli kimyasal sızıntılara ve patlamalara neden olabilir. IoT, sıcaklığı ve sızıntıları izlemek için kullanılabilir.
Bu durumda genel tasarım gereksinimleri aslında oldukça basittir. Sıcaklığı izlemeye yönelik bir IoT sisteminin yalnızca sıcaklığın önceden belirlenmiş bir sınırı aşıp aşmadığını izlemesi gerekir. Sızıntı tespiti durumunda, sistemin sadece sızıntının ne zaman olduğunu tespit etmesi gerekir.
Burada, IoT tabanlı bir sızıntı tespit sistemindeki MCU'nun sensörle yalnızca her 30 saniyede bir veya daha kısa sürede etkileşime girmesi gerekir. Bir sızıntı olduğunda IoT, sunucuya veya sorumlu yöneticiye alarm gönderir, aksi takdirde uyku modunda kalır. Uyarı veya alarm ayarlandığında bile yüksek verime ihtiyaç duymadan yalnızca küçük bir paket gerektirir. Matter, LTE-M ve Wi-SUN gibi birçok düşük güçlü kablosuz ağ kullanılabilir.
Benzer şekilde, kameraların çok tesisli kuruluma sahip büyük bir tesiste depolandığı bir gözetim uygulamasında, Wi-Fi veya benzer teknolojiler kullanılarak periyodik video akışı gereklidir. Bu senaryoda videoyu desteklemek için daha yüksek aktarım hızı gerekir. Daha yüksek verimi desteklemek için gereken ek güç, genel pil ömrünü etkiler. Kurulumlar akıllı sokak veya trafik ışıklarını içeriyorsa, genellikle bir güç kaynağı mevcut olduğundan pil ömrü konusunda daha az endişe duyulur.
Başkan Yardımcısı Sailesh Chittipeddi, "Bunun bir kısmını yönlendiren şey, iş yüküne özel çipler söz konusu olduğunda yapay zekanın doğasının bazı şeyleri değiştirmesidir" dedi. Renesas. “Artık CPU'lar, her iş yükü için herhangi bir ek yükün olmadığı X, Y ve Z işlevlerini yerine getirmiyor. Artık durum böyle değil. Bu nedenle tüm bu şirketlerin ihtiyaç duydukları çözümleri yönlendirmek için daha dikey hale gelmesini sağlıyoruz. Elektrikli ve mekanik özellikler arasındaki etkileşim, belirli bir konektörün yerleştirilmesinin fark yaratabileceği durumlarda çok daha önemli hale geliyor. Bu nedenle giderek daha fazla CAD şirketi sistem düzeyinde destek ve sistem düzeyinde tasarıma yöneliyor."
Neyi başarmak istiyorsun?
IoT tasarım danışmanlığı Voler Systems'in başkanı Walt Maclay, IoT cihazlarını optimize etmede üç önemli alana dikkat çekti: pil ömrü, maliyet ve boyut. "Bu özellikle giyilebilir cihazlar için önemli, ancak çoğu IoT cihazında bu sorunlar var" dedi. "İstediğin her şeye asla sahip olamazsın. Bu bir ödünleşim meselesidir ve mühendislik tasarımı tamamen ödünleşimlerle ilgilidir."
Güç verimliliği elde etmek için düşük güçlü işlemcilerin ve sensörlerin seçilmesi önemlidir, ancak aynı zamanda cihazın yapması gereken görev için yeterli işlem gücü veya hızının da olması gerekir.
Maclay, "Ayrıca uygulamada çalışacak en düşük güçlü kablosuz iletişimi seçin" dedi. “Bluetooth LE, standart kablosuz ağlara göre en düşük güç tüketimine sahip, ancak yalnızca 10 ila 30 feet arası iletim yapıyor. Cep telefonu olmadan internete aktarım yapmanız gerekiyorsa NB-IoT veya LTE-M kilometrelerce iletim yapan düşük güçlü, düşük hızlı kablosuz teknolojilerdir.”
Ayrıca, cihazların sağlayabileceği en düşük gücün olduğundan emin olmak için yazılımın dikkatli bir şekilde yazılması ve test edilmesi gerekir. Kullanılmadıklarında sensörlere, vericilere ve işlemcinin diğer parçalarına giden gücün kapatılması gerekir.
Şekil 1: Düşük güçlü geniş alan ağlarının karşılaştırılması. Kaynak: Voler Sistemleri
Güç verimliliği tasarımında dikkate alınması gereken diğer hususlar arasında en iyi bellek tutma seçeneklerinin seçilmesi, bellek bloğu boyutu, bilgi işlem ve bellek bağlantısının yanı sıra yapay zeka gerekiyorsa yapay zeka donanım hızlandırıcılarının kullanılması yer alıyor. Uygulamaya bağlı olarak tasarımın farklı şekilde optimize edilmesi gerekebilir.
IoT pil ömrünü en üst düzeye çıkarma
IoT'nin çoğunlukla pillerle çalıştığı göz önüne alındığında, pil ömrünün optimizasyonu bütçe dahilinde kalmanın anahtarıdır.
Tensilica ses/ses DSP'leri ürün pazarlama direktörü Prakash Madhvapathy, "Pil ömrünü uzatmak için bir fırsat, cihazın aktif ve aktif olmayan görev döngüsünü içerir" dedi. Ritim. “Bir cihaz günün yalnızca bir bölümünde çalıştığında, aktif sensör verisi üretmeden işleme elemanının aktif olmaması gerekir. Öte yandan, manuel müdahaleyi ortadan kaldıracak şekilde, işlemin cihaz açıldıktan hemen sonra başlaması önemlidir. Operatör gözetiminin gerekli olması, işleme fırsatlarının kaçırılması anlamına gelebilir."
Bununla birlikte, ana işlem kapalıyken işlem elemanının her zaman açık (AON) olmasını sağlayan küçük, enerji tasarrufu sağlayan bir kısmı varsa, cihaz aktif olmadığında pil şarjı korunur.
Madhvapathy, "AON kısmı cihazın açıldığını algılayabilir ve ana işlem bloğunu uyandırabilir" dedi. “Birkaç tane varken IIoT cihazlar bu tekniği pil ömrünü uzatmak için kullanıyor, ancak genel olarak bunu mümkün kılan mimarilere erişimleri yok. Bu kullanım durumunu mümkün kılan DSP kombinasyonunun bir örneği, performans alanı işleme için bir HiFi 1 DSP ile birleştirilmiş AON alanında sensör füzyonu gerçekleştiren Cadence Tensilica HiFi 5 DSP olabilir. HiFi 1 DSP, anlamlı sensör etkinliği ararken ultra düşük güç modunda sensör füzyonu gerçekleştirmek üzere tasarlanmıştır. Cihazın açıldığını algılayana kadar HiFi 5 DSP'yi güç kapatma modunda tutar. Bu noktada HiFi 5 DSP'yi açabilir ve HiFi 5 DSP, aktif mod için gerektiği kadar işlem yapabilir."
Aynı doğrultuda Arm'ın Helyum teknolojisi, yapay zekaya ihtiyaç duyan ve dolayısıyla daha yüksek sinyal işleme performansı gerektiren tasarımları hedefliyor. Direktör Thomas Lorenser şunları söyledi: "Örneğin, Arm'ın Cortex-M55 ve M85'indeki Helyum teknolojisi, sinyal işlemeyi ve makine öğrenimini hızlandırır; bu da, yüksek performanslı makine öğrenimi yeteneği gerektirebilecek üst düzey görüş uygulamaları gibi kullanım durumları için faydalı olacaktır." genel amaçlı hesaplamanın Kol. "Konuşma tanıma gibi kullanım durumları daha az zorlu iş yüklerine sahiptir ve daha az makine öğrenimi kapasitesine ihtiyaç duyabilir. Ayrıca çipin bir kısmı devre dışı olabilir ve bu da genel çip güç tüketimini etkileyebilir. Uygulamalar için doğru IP'nin seçilmesi, tasarımda daha yüksek enerji verimliliği elde edilmesine yardımcı olacaktır. Tasarım iş akışları sinyal işleme hızlandırmalı makine öğrenimi gerektiriyorsa daha fazla güç tüketecektir."
Enerji tasarruflu IoT çipleri
Mühendislik ekiplerinin enerji tasarruflu ürünler tasarlamasını sağlamak için InnoPhase'in Wi-Fi + Bluetooth çipi gibi yeni teknolojiler ortaya çıkıyor. 81 mA iletim, 37 mA alım ve yaklaşık 150 uA (nominal) boşta kalma süresiyle bir yıla kadar dayanması amaçlanıyor.
Şekil 2: Enerji tasarruflu Wi-Fi çip kullanımı varsayımları. Kaynak: InnoPhase
Akıllı güç şebekeleri de dahil olmak üzere akıllı şehirler için tasarlanan Wi-SUN teknolojisi, 20 yıla kadar pil ömrüne sahip bir tasarım spesifikasyonuna sahiptir. Texas Instruments ve Silicon Labs dahil Wi-SUN'u destekleyen çok sayıda çip tedarikçisi var. Silicon Labs'ın "Secure Vault" güvenlik özelliğini içeren Wi-SUN çipi, derin uyku modunda yalnızca 2.6 μA tüketiyor. Karşılaştırıldığında, Texas Instruments Wi-SUN çipi, tam bellek tutma ve saatlerin çalışmasıyla uyku modunda yalnızca 0.85 μA tüketiyor.
Atmosic'in ürün pazarlaması kıdemli direktörü Nick Dutton, "Daha uzun pil ömrü için, IoT SoC'ye bir enerji toplama bloğu dahil ederek, pilsiz IoT'ler uygulamak veya ömür boyu dayanacak bir pil takmak mümkündür" dedi. "SoC, enerjiyi yalnızca ışıktan değil, cep telefonu ve benzerlerinden üretilen yakındaki enerjiden de toplayabilir. Bu, elektronik fiyat etiketlerinin kablosuz olarak güncellenebildiği perakende mağazalarda mükemmel bir uygulama olacaktır.”
Dikkate alınması gereken önemli bir nokta, tüketici sınıfı pillerin daha kısa raf ömrüne sahip olması ve zamanla kimyasal sızıntısı yapabilmesidir. IoT uygulamaları için endüstriyel sınıf pillere ihtiyaç vardır.
Şekil 3: Pilsiz SoC, bir enerji toplama bloğu içerir. Kaynak: Atmosic
Giderek daha fazla sayıda Nesnelerin İnterneti yapay zekayı bünyesinde barındırırken gerçekte ne kadarına ihtiyaç duyuluyor?
Yukarıdaki örneklerde gösterildiği gibi, bir sızıntı tespit izleme uygulaması basit ve öngörülebilir bir yapıya sahiptir. Ya sızıntı var ya da sızıntı yok. Tasarım, yüksek performanslı bir MCU gerektirmez. Ancak gözetim ve tesis güvenliği gibi uygulamalarda yapay zeka gerekli olabilir. Yetkisiz personelin girişini önlemek amacıyla yetkili personelin kimliğini doğrulayacak yüksek çözünürlüklü kameralar kurulur. Bu, yüz veya parmak izi algılamanın yanı sıra bir kimlik kartı gerektirebilir. Açık hava tesisinde işçiler eldiven giyiyor olabilir. Bu durumda yüz algılama ve dolayısıyla yapay zeka gereklidir. Ancak her uygulama yapay zeka gerektirmez.
Synopsys'ten Lowman, IoT alanında birçok yenilik olduğunu açıkladı. "Geleneksel olarak IC geliştiricileri, yeni ürünler veya sürümler pazara girdikçe daha yüksek performans ve maliyetlerin düşürülmesi için baskı yapmaya devam ediyor" dedi. "Daha yüksek frekanslar ve yeni nesil süreç düğümlerinin küçültülmesi, fiyata göre daha iyi performans sağlanmasına yardımcı oluyor. Birkaç yıl önce LTE-M, dar bant IoT ve LoRaWAN gibi hücresel teknolojiler de dahil olmak üzere IoT protokollerinin eklenmesi yönünde bir baskı vardı. En sonuncusu Matter ve Bluetooth'a yapılan yükseltmeler olmak üzere yeni protokollerde değişiklik görmeye devam ediyoruz."
Bugün uygulamalara, özellikle de yapay zeka iş yüklerine daha fazla önem veriliyor. Lowman, "Bugün piyasadaki en büyük etkenlerden biri, yeni nesil tasarımları yönlendiren yapay zeka iş yüklerinin uyumlu hale getirilmesidir" dedi. "Bu zorlayıcı olabilir çünkü IoT cihazları çok az belleğe ve bilgi işlem kaynağına sahiptir. Yapay zeka iş yüklerini uygularken hiçbir zaman yeterli miktarda çip üzerinde SRAM elde edemezsiniz; bu nedenle, veri merkezinden çok daha küçük IoT cihazlarına kadar giderek daha fazla şirketin yüksek yoğunluklu bellekleri benimsediğini görüyoruz. Yapay zeka iş yükleri matematik ağırlıklı işlevlerdir. Böylece IoT cihazları daha fazla güç çekiyor. Dolayısıyla zorlu bir tasarım sorunu var: Gücü ve maliyeti azaltın, ancak 'mükemmel uygulamalar' için gereken bir işlevi barındırın.”
Çoğu durumda en yeni uygulamaların tam olarak olgunlaşmamış olması veya inovasyon hızı nedeniyle sürekli değişiyor olması da bu zorluğu daha da artırıyor. Lowman, "Bu, tasarım hedeflerinin yalnızca belirli yapay zeka iş yüklerini karşılayarak ve mevcut bilgi işlem ve bellek verimliliğini istenen güç ve maliyet bütçeleri dahilinde en üst düzeye çıkararak gerçekleştirilebileceği anlamına geliyor" dedi. "Sonuç olarak IoT tabanlı çözümler, yoğun bir işleme işlevini yerine getirmeye çalışırken aynı zamanda maliyet ve gücü azaltmaya devam etmelidir. Bu çaba, son derece yıkıcı donanım değişimleri yerine, nesiller boyunca IoT alanı üretimindeki artan değişiklikleri hızlandırıyor. Algoritma ve optimizasyon zorluklarına ayak uydurmak için artan SoC yükseltmelerini görmeye devam etmeyi bekliyoruz."
Yapay zekayı IoT tasarımına eklerken en az donanımdan en fazla performansı elde etmek önemlidir.
CEO'su Geoff Tate, "EFPGA'ler gibi, her farklı çıkarım operatörüyle donanımın en iyi şekilde kullanılması için yeniden yapılandırılabilen esnek donanımların kullanılması idealdir" dedi. Esnek Logix. "Her uygulama farklıdır ve doğru sayıda kutucuğu lisanslayarak doğru miktarda yapay zekaya sahip olmak, performansı ve güç verimliliğini aynı anda optimize edecektir."
Güvenlik önemli bir özellik haline geliyor
IoT'ye yönelik kötü amaçlı yazılım saldırılarının listesi neredeyse sınırsızdır. başlıklı yeni bir raporda, “İnternet Bağlantılı Teknolojiler Hizmetleri İyileştirebilir, Ancak Siber Saldırı Riskleriyle Karşı Karşıyadır,ABD Hükümeti Muhasebe Ofisi, botnet'ler, veri ihlalleri, hizmet reddi (DDoS), kötü amaçlı yazılım, ortadaki adam, fidye yazılımı, yapılandırılmış sorgu dili (SQL) enjeksiyonu ve sıfır dahil olmak üzere uzun bir saldırı türü listesine dikkat çekti. -günlük istismar. Bu sadece başlangıç. Yeni siber saldırılar artmaya devam ediyor.
Büyük bir endüstriyel kompleksteki akıllı yağmurlama sistemleri, su tasarrufu sağlamak amacıyla vanaları kapatmak için yağmuru algılayabilecektir. Sistem hacklenirse çok fazla veya çok az su uygulanabilir. Sonuçlar, kahverengi lekelere sahip susuz çimenler veya aşırı su faturası olabilir. Ancak bilgisayar korsanları, ağ geçidinin güvenliği sağlanmadığı takdirde sunucuya saldırmak için bu yağmurlama sistemini de kullanabilirler. Akıllı şehir uygulamasında bir IoT saldırısı, trafik ışıklarının bozulmasına veya ambulansın güzergahının değişmesine neden olabilir; bunların her ikisi de ciddi, hatta ölümcül sonuçlara yol açabilir.
Bilgisayar korsanlarının, trafik ışıklarını yeşile çevirerek kontrol etmek için Flipper Zero gibi 170 dolarlık bir bilgisayar korsanlığı aracını potansiyel olarak kullanabileceği kanıtlandı. Trafik ışıklarının kontrol edilmesinden kaynaklanan potansiyel hasarlar, yağmurlama sisteminin hacklenmesinin çok ötesine geçer. Bu, ön kapıyı emniyete almaya benzer. Kapıya kaç tane sürgü takmak istiyorsunuz? IoT tasarımlarında kaç koruma katmanı uygulamak istiyorsunuz?
Matter, Wi-SUN, LoRaWAN ve hatta 5G dahil olmak üzere yaygın IoT standartlarının birçoğunun özelliklerinde güvenlik zaten yerleşiktir. Bunlar çoğu IoT uygulaması için yeterlidir. Son derece gelişmiş bilgisayar korsanlarına karşı koruma sağlamak için ek güvenlik katmanlarının uygulanması gerekebilir.
Maarten Bron, genel müdür riske atmakIoT saldırılarının arttığını ve siber korumayı artırmak için ek çabalara ihtiyaç duyulabileceğini gözlemledi. “Bir IoT uygulaması, ses kontrollü akıllı ışık kadar basit olabileceği gibi, akıllı bir fabrikada önleyici bakımda kullanılan bir izleme sistemi kadar da karmaşık olabilir. Daha karmaşık bir IoT sisteminde, gerçek dağıtımlardan önce tasarımların bu tür saldırılara karşı koruma sağlayıp sağlayamayacağını görmek için tasarımları laboratuvarda kötü amaçlı yazılım saldırılarına tabi tutarak siber güvenliği artırmak istiyorsunuz."
IoT tasarımlarının uç bilgi işlem ve analitik yetenekleri olan yapay zeka ile çok basitten son derece karmaşıka kadar çeşitlilik gösterdiği göz önüne alındığında, güvenliğin ne kadarı kullanıma bağlıdır. Maliyet kısıtlaması olan uygulamalar için güvenli önyükleme, hata ayıklama koruması ve ürün yazılımı güncellemelerini içeren temel güvenlik yeterlidir. IoT ürün güvenliği, IoT, Bilgi İşlem, Kablosuz İş ve Bağlantılı Güvenli Sistemler kıdemli direktörü Erik Wood, "Ancak, ciddi siber güvenlik koruması gerektiren karmaşık tasarımlar için ek güvenlik donanımı ve yazılım önlemlerine ihtiyaç duyulacaktır" dedi. Infineon Technologies. "Bu işlem süresini ve güç tüketimini artıracaktır. Geliştiricilerin tasarım tercihlerine öncelik vermesi gerekecek ve enerji verimliliğini artırmak için güvenlik tasarımını optimize etmek önemli.”
Güvenliği artırmak ve maliyeti en aza indirmek sürekli bir denge olsa da, bunun çözümü olası olabilir.
Güvenlik IP'si ürün pazarlaması kıdemli direktörü Bart Stevens, "Düşük seviye IoT cihazları en az güvenliğe sahiptir çünkü bu öncelikle maliyet odaklı bir karardır" dedi. Rambus. Bu tür cihazlara güvenlik eklenmesi müşterileri korusa da sonuçta geliştirme maliyetlerini artırır ve cihazın performansını ve güç verimliliğini azaltır. Ancak özel kriptografik hızlandırıcılar kullanıldığında bu son iki dezavantaj ortadan kaldırılır. Kriptografik hesaplamaları bizzat yöneten CPU ile karşılaştırıldığında, özel kriptografik donanım uygulamaları bu tür görevler için %90 daha az enerji kullanır ve aynı zamanda bilgi işlem performansında herhangi bir azalma olmadan güvenliği büyük ölçüde artırır."
Sonuç
IoT çipleri ve teknolojileri gelişmeye devam edecek. Daha iyi güvenlik ve entegrasyonla enerji açısından daha verimli, daha yapay zekayla ölçeklenebilir olacaklar. Optimizasyonlara odaklanmak zorlu olmaya devam edecek ve mühendislik ekiplerinin kullanım örneklerine ve tasarım gereksinimlerini karşılamak için yeni teknolojilerin ve yaklaşımların nasıl uygulanacağına odaklanması gerekecek.
- SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
- Plato blok zinciri. Web3 Metaverse Zekası. Bilgi Güçlendirildi. Buradan Erişin.
- Kaynak: https://semiengineering.com/options-widen-for-optimizing-iot-designs/