大規模物聯網應用通常需要多種連接選項和軟件服務才能實現最基本的功能。為了滿足日漸嚴苛的要求，開發人員必須能從多個來源和工作環境組合出更多樣的解決方案。

但是，滿足每種解決方案的需求往往需要重新考慮開發方式。開發人員不僅要滿足應用的基本要求，還要應對將不同的解決方案調和到一個無縫應用中所面臨的挑戰。使用 Samsung 的 ARTIK 平臺，開發人員可以獲得一種更簡便的方法，將兼容的硬件模塊和軟件服務組合在單個統一的物聯網應用開發和部署平臺中。

物聯網應用開發問題

對于開發人員來說，與物聯網應用相關的諸多要求可能會令人生畏。傳感器系統必須提供準確的信號調節和精確的數據轉換，同時確保最小噪聲和最大帶寬。無線設備需要輕松地裝入應用的現有通信基礎設施中，從而提供足夠的射頻發射功率，同時降低總體功耗。

在更高層級，物聯網設備需要通過中間主機（如智能手機）或通過本地網關設備實現有效的云連接。同時，開發人員必須確保端到端的安全措施能夠緩解威脅，保護整個物聯網信息鏈中任意鏈路上的物聯網應用免受攻擊。

當開發人員解決這些單獨的問題領域時，他們可能會很容易變得缺乏辨別力：如果他們將重點放在每組垂直需求上，就會忽略應用的更廣泛需求。這會使他們過分投入于可能偏離初衷的設計路線上。

像 Samsung ARTIK 解決方案這樣的端到端平臺，可通過提供一整套能輕松組合到完整的物聯網應用的硬件和軟件組件，幫助物聯網開發人員避免一葉障目及其造成的后果。

統一的組件和服務平臺

Samsung ARTIK 生態系統提供了一個統一的組件和服務平臺，旨在解決整個物聯網應用層級結構問題。在物聯網層級結構的最低層，硬件模塊支持高性能數據采集和信號處理，同時提供多個無線連接選項。

在較高層，ARTIK 云提供廣泛的本地和第三方服務。貫穿整個平臺，統一的安全模型為開發人員提供了一系列一致的服務，以確保只有授權設備、服務和用戶才能訪問底層資源或物聯網應用本身。

集成模塊

作為 ARTIK 生態系統的基礎，一系列可互換的硬件模塊為無線傳感器節點和網關提供了直接替代型解決方案。例如，Samsung ARTIK 053 模塊將 ARM? Cortex?-R4 處理器、存儲器和外設接口與專用子系統相結合，以實現 Wi-Fi 連接和安全性。開發人員通過一整套串行接口和器件引腳（包括 GPIO、PWM、串行接口和一個轉換率超過 1 M 次采樣/秒的 4 通道 12 位模數轉換器 (ADC)）訪問模塊子系統（圖 1）。

圖 1：與 ARTIK 系列中的其他模塊一樣，ARTIK 053 模塊提供了完整的無線系統（包含處理器、存儲器、接口和專用子系統），以實現安全性和無線連接。（圖片來源：Samsung Semiconductor）

在其 ARTIK 模塊中，Samsung 將多個專用系統（如通信和安全系統）組合在一個緊密集成的設計中，該設計圍繞適合特定物聯網設備類別的 ARM Cortex 處理器而構建。例如，053 模塊旨在用作能夠進行實時數據采集和控制的終端物聯網節點。因此，053 模塊使用 ARM Cortex-R4。這是 ARM Cortex-R 系列的最小成員之一，該系列專為低功耗的實時應用而設計。

ARM Cortex-R4 以 320 MHz 的頻率運行，利用單獨的指令和數據高速緩存，以最大限度地提高需要快速響應的設計的性能。與其他 ARTIK 模塊一樣，053 通過模塊自帶存儲器擴展了處理器集成的存儲器，在這種情況下，有 8 MB 閃存和 1280 KB RAM 可用于一般用途。

除了支持 Wi-Fi 的 053 模塊以外，開發人員還可以找到其他可提供 053 類處理功能的 ARTIK 模塊，但它們具有不同的無線連接選項。例如，ARTIK-020-AV2R 模塊針對用于與智能手機和其他移動設備交互的物聯網終端節點，提供完整的低功耗藍牙子系統。

無論連接方式如何，設備層級結構中任何層級的任何物聯網設備都需要支持穩健的安全策略，以便緩解物聯網應用中存在的多種來源造成的威脅。Samsung 在其每個 ARTIK 模塊中將端到端安全策略建立在基于硬件的安全機制基礎之上。例如，053 模塊集成了一個全面的安全子系統，其中包括加密引擎、真隨機數發生器、安全密鑰存儲和受保護的執行環境。

053 模塊還包括一個物理不可克隆功能 (PUF) 單元，它支持數字指紋，旨在防止偽造并防止可能由偽造設備產生的中間人攻擊。

直接替代型解決方案

對于 053 和其他 ARTIK 模塊的所有功能，開發人員都可以相對輕松地將這些全面實現的無線系統應用于設計中。ARTIK 053 模塊需要幾個額外組件來完成硬件接口。事實上，該模塊的 GPIO 可以直接驅動高達 12 毫安 (mA) 的電流，而無需額外緩沖。在輸入端，模塊的 GPIO、I2C、SPI 和調試端口提供相對較高的阻抗輸入，僅消耗 3 微安 (μA) 電流（最大值，無下拉電阻）。開發人員可以直接從電壓源驅動模塊的 ADC 通道，但是他們可能需要添加低噪聲運算放大器來放大或衰減這些源信號，以匹配 ADC 的 0 至 1.8 伏特輸入電壓范圍。

對于印刷電路板物理設計，工程師直接將 79 引腳 15 x 40 mm 模塊焊接到目標電路板上，或焊接到位于模塊和目標板之間的載板。由于內置有射頻子系統，模塊的定位至關重要。不過，Samsung 提供了詳細的機械規格，用于在將 053 模塊布置到電路板時優化射頻性能（圖 2）。

圖 2：開發人員可以使用 Samsung 的原理圖和設計方針（例如，用于確保在印刷電路板布局中獲得最佳射頻性能的走線建議）快速地將 ARTIK 模塊集成到自己的設計中。（圖片來源：Samsung Semiconductor）

在定制 PCB 設計和生產之前，開發人員可以使用相關的 ARTIK 開發套件根據這些模塊來評估物聯網設計。例如，ARTIK 053 入門套件 (SIP-KITNXF001) 開發板通過內插器板容納 053 模塊，并提供測試 LED、按鈕、USB 連接、Arduino 盾板接口連接器和 I/O 分線連接器（圖 3）。

圖 3：開發人員可以使用將 053 模塊與電源、IO 連接器、LED 和按鈕結合在一起的 ARTIK 053 入門套件開發板，快速開始 ARTIK053 模塊評估。（圖片來源：Samsung Semiconductor）

在開發期間除了通過其 USB 接口為電路板供電以外，工程師還可以通過其 5 - 12 伏特直流電源插孔或 5.6 - 6.4 伏特外部電池連接分別為獨立電路板供電。

對于硬件開發，Samsung 提供了完整的原理圖和 BOM，讓開發人員在其定制設計中先拔頭籌。如前所述，該模塊的硬件接口要求非常簡單。原理圖中指定的入門套件參考設計將未緩沖的數字信號從板連接器傳遞到該模塊。對于 ADC 輸入，原理圖展示了如何使用簡單的電阻網絡來提供所需的電壓源（圖 4）。

圖 4：ARTIK 053 入門套件原理圖展示了 053 模塊的簡單接口要求，其中包括用于為模塊的四個 ADC 輸入通道提供電壓源的基本電阻網絡。（圖片來源：Samsung Semiconductor）

物聯網網關

Wi-Fi 053 和藍牙 052 等模塊為物聯網終端節點設計提供了解決方案。然而，在更復雜的物聯網層級結構中，物聯網開發人員通常在終端節點上方的層中添加高性能處理節點。這些中間節點充當云的網關，通常在本地層聚合和預處理數據，確保終端節點之間具有短暫的延遲回路，或者在定期從云斷開連接時緩沖終端節點。

Samsung 使用一系列模塊解決了這些要求，這些模塊基于功能越來越強大的 ARM Cortex-A 應用處理器。例如，ARTIK 520 模塊 (SIP-005AYS001) 基于一個雙核 32 位 ARM Cortex-A7 構建，ARTIK 530 (SIP-005AFS301) 提供一個四核 32 位 ARM Cortex A-9，ARTIK 710 (SIP-007AFS001) 提供一個八核 64 位 ARM Cortex A-53 處理器。由于其通用設計，開發人員可以混合搭配這些模塊，以滿足特定的處理負載和性能要求。

除了功率處理功能外，其中每個模塊還提供了一系列穩固的外設和接口，用以滿足網關設備的更廣泛要求。例如，除了增加 ADC 和 GPIO 通道的數量外，ARTIK 530 還通過一個高達 1920 x 1080 @ 30 幀/秒 (fps) 的 4 通道 MIPI 攝像機接口、一個高達 1920 x 1080 @ 60 fps 的 4 通道 MIPI 顯示器接口和兩個音頻 IO 通道提供用戶接口支持。

隨著外設支持的增強，ARTIK 520/530/710 模塊可滿足網關設計的另一個關鍵要求。物聯網網關設備通常需要與各種物聯網設備進行通信。因此，這些網關模塊支持多種無線選項，包括 Wi-Fi、藍牙、ZigBee、Thread 及以太網。

由于支持更廣泛的網關設計要求，ARTIK 520/530/710 模塊通常相應地需要更多的設計工作。然而，對于開發人員來說，Samsung 會通過提供相關開發板每個網關模塊提供支持，這些開發板包括 ARTIK 520 套件 (SIP-KITNXB001)、530 套件 (SIP-KITNXD001) 和 710 套件 (SIP-KITNXE001)。除了每個套件的開發板外，Samsung 還提供完整的參考設計，包括原理圖、BOM 和印刷電路板物理布局。

這些套件展示了更復雜的模塊接口設計，以及開發人員可能需要的其他網關設備組件。與 053 內插器板和平臺板的簡單設計不同，這些套件包括支持網關模塊擴展功能所需的重要零件清單。

例如，ARTIK 530 開發板添加了音頻編解碼器、USB 控制器、電池充電器和電量計，甚至是用于其他 GPIO 和 ADC 通道的 Microchip Technology ATMEGA48PB-M AVR MCU（圖 5）。

圖 5：ARTIK 530 開發板展示了一個復雜網關設備的設計——將 ARTIK 530 模塊與外部 Microchip Technology ATMEGA48PB-M MCU、音頻編解碼器、以太網和 USB 組件以及電池管理電路結合在一起。（圖片來源：Samsung Semiconductor）

與 053 開發板的簡單設計不同，530 套件包括平臺板、一個容納 530 模塊的內插器板和一個用于額外擴展的接口 (IF) 板。如果 053 內插器僅用作 053 模塊的載板，那么 530 內插器板會直接支持 530 模塊的大部分功能。因此，在將該模塊集成到網關系統設計中時，530 內插器板起著更積極的作用，提供的功能如電平轉換，以支持與不同設計組件關聯的不同功率域。

開發套件和相關原理圖展示了滿足這些更廣泛的接口要求所需的特定設計解決方案。例如，參考設計顯示了設計人員如何集成 ON Semiconductor NLSX4373MUTAG 2 位和 NLSX5014MUTAG 4 位電平轉換器，以便可靠地連接設計中的關鍵線路（圖 6）。

圖 6：開發人員可以利用 ARTIK 網關參考設計，獲取使用現成的數字控制線路電平轉換器連接 ARTIK 520/530/710 模塊的詳細信息。（圖片來源：Samsung Semiconductor）

總結

在過去處理復雜的物聯網應用要求時，開發人員別無選擇，只能硬著頭皮處理來自多個廠家的不同組件以及因此帶來的集成挑戰。然而，使用 ARTIK 生態系統后，開發人員可以將兼容的硬件模塊結合在一起，從而滿足物聯網終端節點和網關中無線連接、功能和性能的特定要求。

為了提供完整的物聯網設備解決方案，ARTIK 模塊集成了實現物聯網終端節點所需的所有組件，或為實現更復雜的網關設計提供了基礎。有了 ARTIK 開發套件和原理圖作為構建基礎，開發人員能夠快速實現可提供任何物聯網應用硬件基礎的設備。如第 2 部分所述，開發人員可以進一步利用 ARTIK 生態系統的軟件架構，快速完成其物聯網應用的端到端設計和實現。