ARM eller x86? Ja takk, begge deler med Qseven - Elektronikknett
QSeven for ARM og x86

ARM eller x86? Ja takk, begge deler med Qseven

I denne artikkelen ser vi på hvordan en LPWAN gateway fra den franske spesialisten på IoT- og  innvevd elektronikk, EXPEMB, kan tilpasses flere prosessorarkitekturer med Qseven-formatet.

Qseven-løsningen fra congatec som EXPEMB har valgt for sin Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) gateway gir leverandøren frihet til å velge hvilken som helst laveffekt ARM- eller x86 prosessor som kundene måtte ønske.

IoT

Tilkoplede, distribuerte sensor- og kontrollernettverk for overvåkings-, administrasjons- og vedlikeholdsformål  er den viktigste drivkraften bak IoT. En av de viktigste utfordringene her er å ivareta pålitelig tilkopling og datautveksling med bruk av distribuerte sensorer og kontrollere over lange avstander, fra noen hundre meter og opp til flere kilometer. Denne utfordringen er tosidig;  Å møte kravene til ekstremt lavt effektforbruk i distribuerte sensorer og kontrollere, og samtidig muliggjøre pålitelig og kosteffektiv datautveksling. Lokale, trådløse teknologier har ikke rekkevidde som en kringkaster. Mobilteknologier er for kostbare og bruker for mye energi. Således trengs det nye teknologier for disse Low-Power Wide-Area (LPWA) forbindelsene i rurale så vel som urbane områder som er viktige drivkrefter bak de progresssive vekstratene vi ser for M2M og IoT applikasjoner.

Stor vekst

Mens det totale antallet M2M-forbindelser bare vil vokse fra 5 milliarder i 2014 til 27 milliarder i 2024 med en gjennomsnittlig årlig vekst (CAGR) på 18%[i], er LPWA et marked som er forventet å vokse med 93% CAGR i perioden 2016-2022[ii], og utgjøre 14% av de totale M2M-forbindelsene i 2024. I dag har Vest-Europa den største delen av LPWA-markedet, ettersom landene i denne regionen har vært tidlige brukere av disse informasjonssystemene. Men store smartby-prosjekter i Kina, Singapore og India bidrar også til å drive veksten.

Sikker direkte forbindelse

LPWA-forbindelser kan gjøres tilgjengelig gjennom flere teknologier. En måte er basert på en cellebasert infrastruktur med basestasjoner tilsvarende mobilkommunikasjon. Eksempler på dette er Sigfox og Huawei (Cellular IoT) som blir implementert som åpne nettverk for allmenn bruk. De fleste kommersielle brukere foretrekker imidlertid private nettverk, av sikkerhetshensyn. En av teknologiene for dette markedet er LoRa. Denne benytter en stjernetopologi for en toveis forbindelse mellom enheter som sensorer eller aktuatorer, og én eller flere gateways som kan – der dette støttes – umiddelbart videresende alle data via standard IP-teknologi til en sentral skyserver. Datahastigheten mellom enheter og gateways spenner fra 0,3 kbps til 50 kbps. LoRa krypterer i tillegg alle data via AES krypteringsteknologi, ved å bruke en 64 bit unik nettverksnøkkel, en 64 bit unik applikasjonsnøkkel og en 128 bit enhetsspesifikk nøkkel. Denne trådløse enkelt-hopp forbindelsen anvender det ulisensierte 868 MHz frekvensbåndet i Europa og 915 MHz i Nord-Amerika. På denne måten trenger ikke operatørene å betale for tredjeparts infrastrukturer og lisenser, hvilket bidrar til å redusere kostnadene.

62.500 noder og ti år batterilevetid

Den maksimale kapasiteten for tilgjengelige sluttenheter eller noder i en LoRa gateway er avhengig av antall pakker gatewayen må håndtere i en gitt tidsperiode. En LoRa byggeblokk for en gateway med 8 kanaler kan prosessere opp til 62.500 pakker i timen. Dette tilsvarer det maksimale antallet enheter en gateway kan håndtere dersom den er konfigurert til å kun sende én pakke i timen. Den maksimale rekkevidden i urbane miljøer uten direkte sikt og med dyp innendørs dekning spenner fra 2 til 10 km. I mer grisgrendte strøk er det mulig å oppnå 15 km rekkevidde, og med direkte siktlinje og lite interferens kan rekkevidden økes til 40 km.

For å balansere batterilevetid og signalstyrke anvender LoRa nettverksservere såkalt Adaptive Data Rate (ADR) algoritme for å automatisk definere den optimale ytelsen i henhold til det lokale miljøet. Algoritmen er basert på avansert informasjon som as Signal Noise Ratio (SNR), Received Signal Strength Indication (RSSI) og  ulike kanaler for å optimalisere signalstyrke og kraftforbruk individuelt for hver sluttenhet. På denne måten kan slutt-enheter oppnå en batterilevetid på opp til 105 måneder (!) med et 2000 mAh batteri, noe som er omkring 10 ganger mer enn hva eksisterende mobiltelfonibaserte protokoller kan tilby.

I tillegg til de teknologiske aspektene, har LoRa også bred støtte i industrien, noe som bidrar til å akselerere utrullingen over hele verden. I Juli 2016, for eksempel, gjorde KPN sitt LoRa nettverk tilgjengelig for IoT-applikasjoner i hele Nederland[iii]. LPWAN-spesialisten Actility støtter også LoRa.

Bredt spekter av applikasjoner

Dette oppsettet gjør LoRa til en av de mest interessante laveffekt, langtrekkende nettverksteknologiene for mange anvendelser. Målapplikasjoner omfatter IoT og M2M installasjoner i smarte byer og industrielle anvendelser som jordbruk, infrastruktur, vann- og strømleveranser, og logistikk.

Markeder QSeven Bildetekst: LoRa-protokollen for laveffekt, langtrekkende nettverk kan implementeres i ulike markeder.

EXPEMB har utviklet en modulbasert og skalerbar multiservice gateway for slike LoRa nettverk, som er designet for både kommersielle så vel som tøffe industrielle miljø, og kan implementeres i ulike applikasjoner, fra styreskap i bygninger til understasjoner i kraftnett, og i mobilnettlignende infrastruktur for prosjekter innen smarte byer og intelligent landbruk. Den såkalte FlexGate gatewayen som er ThingPark-godkjent av Actility inkluderer en ekte LoRa konsentrator, bygget rundt en dedikert Semtech SX1301 brikke. Denne har kapasitet til å lytte på 8 LoRa-kanaler samtidig, for å kunne kommunisere med flere tusen tilkoplede noder. FlexGate gateways tilbyr også rikelige kommunikasjonsmuligheter mot den sentrale skyen, med 1 Gbit Ethernet link, Wi‐Fi, 3G/4G og Bluetooth. All linkene er tilgjengelig samtidig, og fall back kan settes opp i henhold til ulike script. Denne tilnærmingen sikrer pålitelig kommunikasjon, uavhengig av den lokale topologien. Et bredt spekter av felt-I/O slik som 2x USB porter, 1x serieport og GPIO’er gjør det mulig å kople til andre lokale enheter med ledningsbasert kommunikasjon i ulike støpninger – inkludert støtte for Modbus feltbuss. Med integrasjon av utelukkende industrielle komponenter uten bevegelige deler som vifter eller harddisker, utgjør FlexGate gatewayen en meget pålitelig plattform, designet for drift 24/7. Den får strøm fra DC-kilde eller PoE+, hvor sistnevnte reduserer kablingsinnsatsen. Utendørs konfigurasjoner støtter det utvidete temperaturområdet og har IP67 beskyttelse med tilhørende vanntette kontakter.

Åpen arkitektur
FlexGate elektronikkplattform FlexGate er basert på en åpen elektronikkplattform i QSeven-formatet.

FlexGate gateways er utformet som applikasjonsklare plattformer og tilbyr administrasjonstjenester ut fra et modulbasert Linux rammeverk tilpasset IoT. Denne åpne arkitekturen tillater enkel integrasjon av enhver ny tjenester som er aktuell. Tjenester som allerede inngår i standardkonfigurasjonen omfatter sikre kommunikasjonslag, så vel som en åpen pakkeformidler som videresender RF-pakker som konsentratoren mottar, til en server via en IP/UDP link, og sender ut RF-pakker som kommer fra serveren. Utover den omfattende feltstøtten for LoRa nettverk, tilbyr FlexGate gateway også fleksible sky-til-felt forbindelse  som er klargjort for tilpassing til lokale LoRa-konfigurasjoner, og for å ivareta alle nye tjenester som trengs, fra feltimplementeringstjenester til driftsovervåking og –administrasjon, så vel som vedlikeholdstjenester, inkludert fjernstyrt fastvareoppgradering (FOTA).

Uavhengig

Ettersom produktlinjen er utviklet for å håndtere alle ulike behov for implementering av LoRa gatewayen, er systemfamilien i stand til å integrere alle vanlige prosessorteknologier, uavhengig av mikroarkitekturen. Dette gjør EXPEMB i stand til å tilby sin gatewayteknologi i absolutt alle kundeprosjekter som måtte komme. “Vi ønsket ikke å begrense vår kjernekompetanse på LoRa til en spesiell prosessorteknologi, ettersom dette ville begrense vårt markedspotensial i for stor grad. Derfor designet vi en plattform med en tvillingarkitektur som kan huse både ARM og x86 teknologier, hvilket gjør at vi kan delta i alle tilbudsforespørsler,” forklarer Jean-Christian Rerat, CEO i EXPEMB.

Freescale og Intel
FlexGate Dagens FlexGate-versjon er tilpasset to av de største prosessorarkitekturene.

Dagens FlexGate gatewayer er utstyrt med fleksibel prosesseringskraft basert på de to store prosessorfamiliene: En av dem er den nyeste generasjonen Freescale i.MX6 laveffekt flerkjerneprosessorer. Den andre er Intel Atom E3800 produktfamilie med 1 til 4 kjerner (kodenavn Bay Trail). Begge de fleksible arkitekturene i FlexGate-porteføljen tilbyr prosesseringskraft som enkelt kan tilpasses ulike brukertilfeller, grunnet deres omfattende skalerbarhet helt opp til tåke- og kantserverintelligens. Både den anvendte maskinvareplattformen og fleksibiliteten i ytelse er gjort mulig gjennom integrasjon av Qseven datamaskinmoduler som støtter begge arkitekturer, ARM og x86. Bruken av slike moduler gjør dessuten EXPEMB i stand til å bytte ut en av disse prosessorfamiliene med den nyeste state-of-the-art teknologien, uten å måtte endre maskinvaredesignet. Dette gjør FlexGate gateway til en plattform som kan implementeres langt utover levetiden til prosessorene, som er 15 år for Freescale og 7 år pluss for Intel. I tillegg kan også fremtidige prosessorer, som den neste Intel Atom generasjonen med kodenavnet Apollo Lake, implementeres.

Støtte viktig

Fra leverandørens synsvinkel har EXPEMB valgt moduler fra congatec fordi disse er ledende innen datamaskinmoduler i Europa, og tilbyr den beste servicen og støtten, så vel som ett av de bredeste produktutvalgene som er tilgjengelig innen Qseven. Og selv om dette selskapet har den største markedsandelen – noe som kunne implisere kompliserte prosesser for å oppnå den rette støtten, grunnet en stor og fragmentert organisasjon – er det den personlige integrasjonsstøtten EXPEMB er mest fornøyd med.

– Vi følte oss like godt behandlet som om vi snakket til eierne av et mindre utviklingsselskap. De er engasjerte, de kjenner sine produkter, og de har svar som løser problemet, sier JC Rerat om integrasjonsstøttegruppen fra congatec. – Utfordringen lå i å få et mer eller mindre identisk funksjonsoppsett for de ulike arkitekturene, for å gjøre det mulig for oss å skalere opp våre løsninger mest mulig effektivt. Her tilbyr congatec den perfekte plattformstøtte for å bygge opp enhetlige familier med både x86 og ARM. De fleste leverandører av standard datamaskinmoduler har egne eksperter for hver arkitektur. Hos congatec hadde vi den samme eksperten for begge arkitekturer. Det gjorde kommunikasjonen meget effektiv, avslutter JC Rerat.

Referanser:

[i] https://machinaresearch.com/news/global-m2m-market-to-grow-to-27-billion-devices-generating-usd16-trillion-revenue-in-2024/

[ii] http://www.indiainfoline.com/article/news-top-story/lpwan-market-to-grow-at-93-cagr-during-2016-2022-infoholic-research-116020800295_1.html         

[iii] https://corporate.kpn.com/press/press-releases/the-netherlands-has-first-nationwide-lora-network-for-internet-of-things-.htm