Produkty Raspberry Pi, BeagleBoard a Arduino se svými snadno použitelnými vývojovými platformami zaujaly představivost studentů i kutilů. Vzhledem k více než 19 milionům prodaných kusů Raspberry Pi a prosperující komunitě nadšenců se zdá, že jedinou zbývající otázkou je to, zda lze tento úspěch založený na širokých funkcích, malé velikosti, nízké ceně a jednoduchosti zopakovat také na profesionálním konstruktérském trhu, a zda jsou jednodeskové počítače (SBC) a vývojové a prototypovací platformy vhodné k tomu, aby je profesionálové integrovali přímo do návrhů svých produktů.
Vzestup platforem pro tvorbu prototypů a vývojových desek
Tým italských inženýrů v roce 2003 vyvinul levnou a snadno použitelnou vývojovou sadu založenou na mikrokontroléru, která lidem se všemi úrovněmi dovedností umožnila ve svých projektech využívat moderní 8bitové mikrokontroléry. To předznamenalo začátek platformy Arduino, která široké škále uživatelů vydláždila cestu k rychlé stavbě a testování elektronických systémů. Kutilové, velcí výrobci a dokonce i jednotliví profesionálové mohli hardware a prostředí pro vývoj softwaru platformy Arduino využít jako základ svých projektů. V roce 2008 následoval zrod neziskové organizace BeagleBoard.org, která dále rozšířila možnosti integrovaných (embedded) výpočetních systémů. Organizace BeagleBoard.org vznikla s cílem přinést do rukou techniků a konstruktérů nejmodernější mikroprocesor v podobě levné vývojové platformy s podporou komunity open source.
Jakmile byly platformy Arduino a BeagleBone na světě a dále se rozvíjely v rukou techniků, vývojářů a kutilů, schylovalo se k jedné z největších revolucí v oblasti spotřebitelských i průmyslových výpočetních systémů. Skupina působící v počítačové laboratoři Univerzity v Cambridgi řešila poptávku po levné výpočetní platformě, která by studentům umožnila, aby se učili programovat bez nutnosti používat domácí počítač. Výsledek byl představen v roce 2012: jednodeskový počítač Raspberry Pi za 35 USD. Ačkoli byla deska Raspberry Pi původně navržena jako nástroj, s pomocí kterého se studenti učili programovat, přijali ji výrobci, konstruktéři, studenti i profesionální technici a pomohla odstartovat současný boom v oblasti jednodeskových počítačů a elektronických platforem pro tvorbu prototypů.
Raspberry Pi3 B+
Využití vývojových platforem v oblasti tvorby prototypů a profesionálního návrhu
Platformy pro tvorbu prototypů a vývojové desky plní širokou škálu funkcí – od řešení založených na mikrokontrolérech až po jednodeskové počítače, které jsou samy o sobě plně funkčními počítači. Díky svým funkcím jsou vhodné pro širokou škálu aplikací – od senzorových uzlů pro IoT přes centra pro chytrou domácí automatizaci až po řídicí systémy pro Průmysl 4.0. I když aplikace vyžadují specializovaná vstupně-výstupní rozhraní, jako je například komunikace RS485 pro průmyslové převodníky nebo subsystémy snímačů prostředí pro monitoring podmínek v domácnosti, konstruktéři mohou rozšířit možnosti vývojové desky s pomocí doplňkových modulů, které mohou být v závislosti na platformě označovány jako Shield, HAT nebo Cape.
Díky této kombinaci běžně dostupných, flexibilních doplňkových funkcí lze při použití v prototypech pro ověření konceptu nebo v návrzích skutečně využívat všech jejich výhod. Ať již projekt vyžaduje speciální hardware, doplňky třetích stran nebo jen základní desku, běžná dostupnost plnohodnotných jednodeskových počítačů nebo platforem pro tvorbu prototypů znamená, že vývojáři mohou ihned začít pracovat na softwaru pro zamýšlenou aplikaci. Tím lze zkrátit dobu uvedení na trh a zároveň ušetřit významné náklady na vývoj celé desky od základu. Open-source povaha návrhu hardwaru také hraje důležitou roli při podpoře vývoje, jelikož konstruktérům poskytuje okamžitý přístup k datům o návrhu a rozsáhlé dokumentaci používané při vytváření jednotlivých platforem. Navíc lze využívat také široké podpory například ze strany komunity Raspberry Pi a element14, což vývojářům umožňuje stavět na aplikacích jiných lidí a v případě potřeby požádat o radu
Jelikož si výrobci desek Raspberry Pi, BeagleBoard a Arduino pro svou další fázi růstu zvolili trh s profesionálními aplikacemi, nabízejí desky, které reagují na potřeby profesionálních konstruktérů. Produkty BeagleBoard i Raspberry Pi nabízejí verze optimalizované pro profesionální použití – například BeagleBone Black Industrial a Raspberry Pi Compute Module. Nejnovější verze desky Raspberry Pi, Raspberry Pi 3 Model B+, nabízí také možnost napájení rozhraním Ethernet prostřednictvím modulu HAT, podporu dvoupásmové sítě Wi-Fi (2,4 a 5 GHz) a modulární kompatibilitu, čímž se snižují dodatečné náklady vývojářů během certifikace produktů. Vysoce kompaktní řada MKR společnosti Arduino je zaměřena na oblast IoT a nabízí kompaktní verze kombinující lokální inteligenci založenou na architektuře procesoru Arm Cortex-M0+ se širokou škálou bezdrátových rozhraní. Návrháři mohou výběrem různých modulů MKR vytvářet aplikace umožňující připojení k místním bezdrátovým sítím za pomoci rozhraní Bluetooth či Wi-Fi nebo si zvolit komunikaci na dlouhé vzdálenosti za pomoci mobilní technologie. Společná architektura procesoru používaná moduly MKR konstruktérům umožňuje standardizovat proces návrhu pro různé varianty produktu.
BeagleBone Black Industrial
Společnost Farnell element14 je oficiální výrobce desek Raspberry Pi a BeagleBoard a může desky také přizpůsobovat, například umožnit zákazníkům přidávat výkon nebo více paměti a v důsledku tak umožnit rychlejší uvedení na trh a nabídnout levnější alternativu k vytváření desek od základu. Příklad takového přizpůsobení můžeme vidět třeba v modulu, který je základem systému FutureHome Smarthub. Smarthub je server pro systém domácí automatizace od společnosti FutureHome, který je založen na modulu Raspberry Pi Compute Module 3 a umožňuje ovládat osvětlení, vytápění a snímače pohybu pomocí aplikace pro systém iPhone nebo Android. Společnost Futurehome použila přizpůsobenou desku vyvinutou ve spolupráci se značkou Farnell element14, která integruje modul Pi Compute Module a speciální bezdrátovou základní desku pro napájení brány systému domácí automatizace.
Co by měli konstruktéři zvážit
Existuje mnoho faktorů, které je nutné zvážit při plánování použití běžně dostupných desek pro tvorbu prototypů nebo návrhu:
- Stálá dostupnost: Platformy pro tvorbu prototypů a vývojové desky jsou při použití ve výrobě vysoce ekonomické, ale stejně jako v případě každého běžně dostupného produktu zde existuje riziko, že dodavatel při přechodu na novější verzi ukončí výrobu, což může významně ovlivnit produktivitu. Dodavatelé těchto platforem pro tvorbu prototypů jsou si problému vědomi a v současné době se zavazují dodržovat tzv. „období výroby“ pro zajištění podpory profesionálního použití. Například výroba nejnovějších modelů Raspberry Pi 3 Model B+ a BeagleBone Black je zaručena do roku 2023.
- Kompatibilita rozměrů: Dalším faktorem ke zvážení je kompatibilita jednotlivých generací řady SBC. Je potřeba zajistit, aby uspořádání vývodů a fyzické rozměry byly stejné, jako u desky použité v návrhu, jinak může být nutné nákladné přepracování návrhu. Výrobci na tuto potřebu opět reagují a nejnovější model Raspberry Pi si pro zachování kompatibility zachoval stejné uspořádání vývodů a fyzické rozměry, jako předchozí deska. Organizace Raspberry Pi Foundation navíc usiluje o zachování rozměrů SODIMM i u budoucích výpočetních modulů ve snaze usnadnit případný upgrade.
- Teplotní rozsah: Požadovaný rozsah pracovních teplot konečného produktu je často určován tou součástí na desce, která má nejhorší teplotní specifikace. Specifikovaná pracovní teplota standardních jednodeskových počítačů vyráběných společnostmi Raspberry Pi, BeagleBoard a Arduino má poměrně úzký rozsah, což znamená, že jejich využití v průmyslových aplikacích může být omezené, ovšem existují různé možnosti, jak toto omezení řešit – značky Raspberry Pi a BeagleBoard nabízejí zařízení navržená speciálně pro profesionální použití, která nabízejí významně rozšířený rozsah teplot: BeagleBone Black Industrial (-40 až + 85 °C) a Raspberry Pi Compute Module 3 (-25 až +80 °C).
- Shoda produktů s předpisy: Jednodeskové počítače a ostatní vývojové desky jsou obecně dodávány s plnohodnotnou certifikací CE a vyhovují tedy všem příslušným předpisům a bezpečnostním standardům platným v EU. Nicméně značení CE a certifikace produktů je u návrhů používaných ve větších koncových systémech komplexnější, zvlášť v případě produktů využívajících bezdrátovou konektivitu, což také často znamená, že celý návrh i jednotlivé součásti je nutné znovu certifikovat. Výrobci v tomto ohledu vycházejí zákazníkům vstříc tím, že zajišťují shodu jednotlivých modulů s předpisy a omezují tak nutnost provádět opakovanou certifikaci: jedním z příkladů je rozhraní Wi-Fi desky Raspberry Pi 3 Model B+, které garantuje shodu modulu s předpisy, a v případě modifikací modulu Wi-Fi tedy není nutné provádět opakovanou certifikaci.
- Funkčnost: Standardní jednodeskové počítače nemusí splňovat vaše požadavky, a ačkoli lze pro rychlou tvorbu návrhů a prototypů využít široké škály modulů HAT, Cape a Shield, nemusí být toto řešení vhodné pro váš konečný návrh. Jak je zmíněno výše, jednodeskové počítače lze přizpůsobit, ale vyžaduje to kompromis mezi cenou, dobou potřebnou pro návrh a požadovanými rozměry.
Závěr
Jednodeskové počítače a platformy pro tvorbu prototypů nabízejí jednoduchý a cenově i distribučně dostupný způsob pro rychlé uvedení profesionálních návrhů na trh. Startupy vstupující na trh mohou ve svých návrzích zohlednit velkoobjemovou výrobu produktů, protože jednodeskové počítače mohou pomoci urychlit proces návrhu a pomoci jim využít rostoucí křivky aplikací pro oblast IoT, chytré domácnosti a Průmysl 4.0. Pružnost a flexibilita používání běžně dostupných řešení přináší skutečné výhody všem zákazníkům – od jednotlivých profesionálních výrobců až po větší zavedené podniky – protože tyto nové desky, které jsou „připravené pro profesionály“, budou všem typům společností i nadále nabízet širší možnosti a zkracovat dobu potřebnou pro uvedení jejich produktů na trh.
