Escolhendo microcontroladores para dispositivos IoT e Sistemas embarcados
Sumário:
Aqui está um pequeno guia para ajudá-lo a encontrar os tópicos mencionados neste post:
Introdução
Antes de tudo, vamos definir alguns conceitos importantes.
Internet das Coisas (IoT)
Primeiramente, vamos entender o que é a Internet das Coisas (IoT). Não existe um consenso geral sobre a definição do termo, mas podemos compreendê-lo como um conjunto de tecnologias e protocolos que permitem que objetos digitais se conectem à rede de comunicação e sejam controlados por ela. Esses “objetos” são dispositivos que possuem recursos de computação, comunicação e controle.
Sistemas embarcados
Outro termo importante é o de “sistemas embarcados”. Podemos defini-los como sistemas eletrônicos dedicados a uma função específica ou conjunto de funções, projetados para operar em ambientes restritos e muitas vezes hostis, com limitações de recursos, como memória, processamento e energia. Eles são incorporados em dispositivos ou equipamentos maiores, como automóveis, dispositivos médicos, eletrodomésticos, equipamentos de automação industrial e muitos outros. Os sistemas embarcados geralmente contêm um microcontrolador ou um processador especializado, bem como memória, interfaces de entrada e saída e outros componentes necessários para realizar suas funções.
Dispositivos IoT
Como mencionado anteriormente, os dispositivos IoT são os “objetos” da IoT. Eles são dispositivos com recursos de computação, comunicação e controle, que geralmente são construídos com componentes como microcontroladores, módulos de comunicação sem fio, sensores e atuadores. É importante notar que dispositivos IoT são uma espécie de sistema embarcado.
Microcontroladores
Agora que entendemos os conceitos básicos, vamos falar sobre os microcontroladores. Os microcontroladores são pequenos computadores integrados em um único chip (circuito integrado) que contêm uma CPU (Unidade Central de Processamento), memória e periféricos de entrada e saída.
Mas como escolher o microcontrolador ideal para o seu projeto de dispositivo IoT ou sistema embarcado? Bem, isso é um desafio e tanto! Felizmente, neste post, vamos explorar como escolher o microcontrolador ideal para o seu projeto de dispositivo IoT ou sistema embarcado, levando em conta suas características e os desafios de segurança e privacidade na IoT. Com as informações certas, é possível criar soluções tecnológicas eficientes, confiáveis e seguras para todo tipo de requisito.
Escolhendo o microcontrolador ideal
Existem diversos fatores que devem ser considerados na hora de escolher um microcontrolador para o seu projeto. Aqui estão algumas das características mais importantes:
Capacidade de processamento
A capacidade de processamento do microcontrolador é importante para determinar o quão rápido ele pode executar as tarefas necessárias ou quantas tarefas ele pode executar em paralelo. Se o seu projeto envolve processamento de dados em tempo real ou tarefas complexas que envolvem várias tasks, é importante escolher um microcontrolador com uma CPU mais poderosa, dados como número de núcleos e clock máximo são pontos importantes a se considerar neste quesito.
Memória Volátil
A memória volátil do microcontrolador é composta por tipos de memórias como a DRAM (Dynamic Random Access Memory), SRAM (Static Random Access Memory) e PSRAM (Pseudo-Static Random Access Memory), que são utilizadas pela unidade de CPU para armazenar informações temporárias durante a execução, a fim de executar funções específicas. Essas memórias dependem de energia para funcionar, ou seja, quando o microcontrolador é desligado, todas as informações são perdidas. O microcontrolador utiliza a memória volátil para armazenar dados que ele precisa acessar rapidamente, como instruções de programa e variáveis de dados. Isso permite que o microcontrolador execute tarefas com rapidez e eficiência. Em resumo, a memória volátil é essencial em um microcontrolador, pois oferece um espaço de armazenamento temporário e de alta velocidade para dados críticos para a execução de suas funções. Dispositivos que necessitam de uma grande alocação de memória para o armazenamento de dados ou execução de funções requerem microcontroladores com uma quantidade maior deste tipo de memória.
Memória não Volátil
A Memória não Volátil em um microcontrolador é fundamental para a manutenção de dados que precisam ser armazenados mesmo quando o sistema não está energizado. Esses dados incluem programas a serem executados pelo microcontrolador, informações de configuração, arquivos e outros. É importante notar que, em geral, esses tipos de memória são mais lentos do que as voláteis. Para aplicações que exigem o armazenamento de programas grandes ou muitos arquivos junto ao microcontrolador, a capacidade da memória deve ser considerada. Caso seja necessário armazenar apenas arquivos, alguns microcontroladores oferecem a opção de usar memórias externas.
Interconectividade
Para dispositivos IoT ou sistemas embarcados que precisam de conectividade (Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, LoRa, etc.), é interessante escolher um microcontrolador que já tenha recursos de interconectividade embutidos, o que pode reduzir custos e consumo de recursos.
Periféricos
Os periféricos, como dispositivos de entrada e saída, portas analógicas e protocolos de comunicação serial, são recursos úteis para um microcontrolador. É importante escolher um microcontrolador que forneça nativamente os periféricos necessários para seu projeto ou que permita a adição de módulos externos.
Eficiência energetica
Se o seu dispositivo é alimentado por baterias ou painéis solares, a eficiência energética é crucial para garantir a vida útil da bateria e o bom funcionamento do sistema. É importante analisar o consumo de energia do microcontrolador tanto em operação contínua quanto em modo de hibernação.
Segurança
Um dos grandes desafios da Internet das Coisas atualmente é a segurança. Essa preocupação abrange desde a camada mais alta até a mais baixa, incluindo os microcontroladores. Dispositivos IoT armazenam diversos dados sensíveis, como credenciais de acesso e partes de código fechado. Além disso, com as atualizações remotas via OTA e a comunicação sem fio, é crucial contar com recursos como criptografia de flash, security boot e suporte à criptografia em geral. Dispositivos que requerem um nível mínimo de segurança e que serão utilizados em ambientes não isolados devem contar com esses recursos indispensáveis. Portanto, é crucial escolher um microcontrolador que conte com suporte a esses recursos.
Custo
Por fim, é importante considerar o custo de aquisição e produção do microcontrolador, garantindo que ele esteja dentro de seu orçamento e permitindo a produção do dispositivo em larga escala.
Comparando alguns microcontroladores
| Nome | Processador | Nº de nucleos | Clock | M. Flash | M. Ram (DRAM ou SRAM) | Conectividade | Periféricos | GPIOs | ADC | PWM | Tensao de operação | Custo |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Arduino Mega | ATmega2560 | 1 | 16Mhz | 256KB | 8KB | 1 SPI, 1 I2C, 4 UART | 54 | 16 - 10bits | 15 | 5v | R$76,33 | |
| Arduino Uno | ATmega328 | 1 | 16Mhz | 16KB | 2KB | 1 SPI, 1 I2C, 1 UART | 14 | 6 - 10bits | 6 | 5v | R$26,31 | |
| Arduino Zero | ARM Cortex M0+ | 1 | 48Mhz | 256KB | 32KB | 1 SPI, 1 I2C, 2 UART, 2 I2S | 20 | 5 - 12bits, 1 - 10bits | 12 | 3.3v | R$59,00 | |
| ESP-32 | Xtensa LX6 | 2 | 240Mhz | até 16MB | 520KB | WIFI, BLE | 4 SPI, 2 I2C, 2 I2S, 3 UART, CAN | 36 | 18 - 12bits | 16 | 3.3v | R$12,82 |
| ESP-32S2 | Xtensa LX7 | 1 | 240Mhz | até 16MB | 320KB | WIFI | 4 SPI, 2 I2C, 2 I2S, 2 UART, CAM, OTG, LCD | 43 | 20 - 13bits | 8 | 3.3v | R$10,46 |
| ESP-32S3 | Xtensa LX7 | 2 | 240Mhz | até 32MB | 512KB | WIFI, BLE | 4 SPI, 2 I2C, 2 I2S, 3 UART, CAM, OTG, LCD, USB Serial JTag | 45 | 20 - 13bits | 8 | 3.3v | R$20,03 |
| ESP-32C3 | 32-bit RiscV | 1 | 160Mhz | até 16MB | 400KB | WIFI, BLE | 3 SPI, 1 I2C, 1 I2S, 2 UART | 22 | 12 - 12bits | 6 | 3.3v | R$10,51 |
| ESP-8266 | Xtensa L106 | 1 | 160Mhz | até 16MB | 160KB | WIFI | 4 SPI, 2 I2C, 2 I2S, 2 UART | 17 | 1 - 10bits | 8 | 3.3v | R$07,85 |
| NRF52810 | ARM Cortex-M4 | 1 | 64Mhz | 192KB | 24KB | BLE | SPI, I2C, UART, PDM | 32 | 8 - 12bits | 4 | 3.3v | R$24,90 |
| Raspberry Pi PICO | ARM Cortex-M0+ | 2 | 133Mhz | até 16MB | 264KB | 2 SPI, 2 I2C, 2 UART, CAN, OTG | 30 | 3 - 12bits | 16 | 3.3v | R$23,28 | |
| Raspberry Pi PICO W | ARM Cortex-M0+ | 2 | 133Mhz | até 16MB | 264KB | WIFI | 2 SPI, 2 I2C, 2 UART, CAN, OTG | 30 | 3 - 12bits | 16 | 3.3v | R$53,40 |
Observação: Os dados nesta tabela foram atualizados na data de publicação deste texto. Se houver qualquer diferença ou inconsistência, por favor, informe-nos. É importante notar que os preços dos microcontroladores ESP32XX e ESP8266 levam em conta apenas o preço do módulo, enquanto que os preços dos outros microcontroladores incluem a placa de desenvolvimento completa. Isso ocorre porque os outros microcontroladores não são oferecidos apenas como módulos, mas sim como uma versão completa com a placa de desenvolvimento ou apenas o circuito integrado. Além disso, esses preços foram cotados no Aliexpress e podem variar devido a tributos de importação, dependendo da legislação vigente no momento da compra.