میدونی FreeRTOS چیه و کاربردش در IOT چیه؟

سیستم عامل اثری غیر قابل انکار در سیستم های دیجیتال دارد. امروزه با رشد تعداد دستگاه های مبتنی بر میکروکنترلر، سیستم عامل نقش مهمی در طراحی آن‌ها پیدا کرده است. جهت پیاده سازی آسان و مقرون به صرفه، لزوم سیستم عامل بیشتر و بیشتر شده است. همانطور که برای سیستم های رایانه ای، لپ تاپ‌ها و تلفن‌های همراه سیستم عامل توسعه یافته است، برای دیوایس‌های دیجیتال و امبدد هم سیستم عامل وجود دارد. سیستم عامل FreeRTOS یکی از مهم ترین سیستم عامل ها برای دیوایس های دیجیتال و اینترنت اشیاست.

سیستم عامل FreeRTOS تعریف و کاربرد

 حتما اسم سیستم عامل را شنیده اید، احتمالا اگر رشته شما نرم افزار باشد، تعریف آن را هم شنیده اید: واسط بین کاربر و سخت افزار جهت مدیریت منابع! این تعریف زیباست، اما واضح نیست! در حقیقت سیستم عامل یک نرم افزار اصلی است که اجازه می دهد به جای آنکه برای هر برنامه یک میکرو بخریم، تعدادی برنامه را روی یک عدد میکرو اجرا کنیم. به عنوان مثال فرض کنید قصد کنترل سرو موتور دارید. از طرف دیگر هم قصد کنترل یک رله به صورت زمانبدی شده را دارید. طبعا برای هر کدام از این برنامه ها نیاز به یک برد دارید. اما به کمک سیستم عامل، می توانید هر دو برنامه را روی یک برد آردوینو اجرا کنید. در تصویر زیر برد آردوینو  Uno را مشاهده می‌کنید. میکروکنترلر این برد Atmega328 است. به کمک سیستم عامل  FreeRTOS امکان مدیریت و کنترل به صورت همزمان فراهم می‌شود. برای درک بهتر کافیست مثال سرو موتور و رله را در ذهن داشته باشید. 

در مثالی دیگر،  فرض کنید قصد طراحی یک سیستم کنترل LED به صورت رقص نور را دارید. به همین منظور، از این لینک ماژول WS2812 را در تعدادی تهیه کرده اید.  حال قصد دارید هر کدام به صورت مجزا و البته همزمان کنترل شوند. در اینجا چاره‌ای جز استفاده از سیستم عامل نیست. سیستم عامل می‌تواند تعدادی برنامه را (با زمانبندی داخلی خود) روی یک میکروکنترلر ایجاد کند. در تصویر زیر ماژول LED RGB آدرس پذیر را مشاهده می‌کنید. برای کنترل همزمان چندین تعداد از این ماژول به سیستم عامل FreeRTOS نیاز خواهیم داشت.

کاربرد سیستم عامل در اینترنت اشیا

در سناریوهای مختلف اینترنت اشیا، به سخت افزار یا همان لبه سخت افزاری و سنسوری نیاز داریم. این بردها همگی دارای میکروکنترلر هستند. موضوع انرژی در طراحی و پیاده سازی سناریوهای مختلف اهمیت بسیار فراوانی دارند. در یک سناریو معمولی IoT سخت افزارها اطلاعات اولیه را دریافت کرده و سپس به سرور ارسال می‌کنند. در سرور پردازش شده و دسته بندی میشوند و برای محاسبات بعدی و تصمیمات هوش مصنوعی استفاده می‌شوند. موضوع انرژی روز به روز بیشتر و بیشتر اهمیت پیدا میکند. نکته‌ای که اهمیت دارد، میزان مصرف انرژی یک میکروکنترلر در مقایسه با یک سرور کامپیوتری قدرتمند است. میکروکنترلرها مصرف انرژی بسیار بسیار ناچیزی دارند. 

ارسال اطلاعات به صورت پردازش شده به سمت سرور، در حالت حجیم و گسترده، میتواند در میزان مصرف انرژی بسیار بسیار بسیار بهینه عمل کند. از اینرو با شناخت همین حساسیت ساده، میتوانیم به اهمیت سیستم عامل برای میکروکنترلرها پی ببریم. سیستم عامل FreeRTOS روی انواع میکروکنترلرها که نقش سخت افزار در سناریوهای اینترنت اشیا را دارند، پیاده سازی می‌شود. علاوه بر اینکه یک سخت افزار به کمک سیستم عامل FreeRTOS توانمندی بیشتری در پردازش اطلاعات پیدا می‌کند، امکان ارسال اطلاعات به صورت پیش پردازش شده به سرور را هم خواهد داشت. 

همانطور که اطلاع دارید، بخش مهم پروژه های اینترنت اشیا را ماژول مخابراتی تشکیل می دهد. گاهی ممکن است در پروژه خود از ماژول های وای فای(لینک ماژول های وای فای، کلیک کنید) و یا ماژول های مخابراتی سیم کارتی(لینک ماژول های مخابراتی سیم کارت، کلیک کنید)  استفاده کنید. از آنجاییکه اجرای دستورات شبکه‌ای زمانبر بوده و مدت زمانی طول می‌کشد تا داده بین سرور و ماژول تبادل شود، بنابراین در این مدت زمان به کمک سیستم عامل می‌توان پردازنده را به کارهای دیگری واداشت. بدین ترتیب با صرفه جویی زمان، عملکرد و سرعت اجرای پروژه به شدت بالا خواهد رفت.

بردهای سازگار با سیستم عامل FreeRTOS

 سیستم عامل FreeRTOS یک سیستم عامل رایگان متن باز است. بنابراین با کمی تغییر می‌توان آن را بر روی کلیه پلتفرم‌ها، اجرا کرد. اما این سیستم عامل به صورت پیش فرض روی میکروکنترلرهای ARM نصب است. به عنوان مثال، با کلیک بر روی این لینک، برد راه اندازه میکرو ARM از نوع STM32 را مشاهده می کنید. بر روی این پردازنده سیستم عامل به صورت پیشفرض نصب هست.

علاوه بر بردهای STM32 مبتنی بر تراشه ARM، برد قدرتمند ESP32 هم سیستم عامل FreeRTOS را به صورت پیشفرض داراست. برد ESP32 در هسته آردوینو خود، سیستم عامل FreeRTOS را به صورت نصب شده دارد. در صورتیکه برد ESP32 را نمی شناسید، پیشنهاد می کنم روی لینک خرید و یا لینک مقایسه ESP32 با ESP8266 کلیک کرده و جزییات آن را مطالعه کنید. در زیر تصویر برد Nodemcu با تراشه ESP32 را مشاهده می‌کنید.

اما در کنار موارد فوق، یک سوراپرایز ویژه برای طرفداران آردوینو داریم. سیستم عامل FreeRTOS قابلیت اجرا روی بردهای آردوینو با تراشه AVR را داراست. به عبارت دیگر، این سیستم عامل روی برد آردوینو UNO، MEGA و.... قابلیت اجرا دارد. به این ترتیب شما می‌توانید چندین برنامه را روی یک برد آردوینو، بدون نگرانی از تداخل یا قفل شدن برنامه ها، اجرا کنید. در دیجی اسپارک، آموزش‌های قدم به قدم استفاده از FreeRTOS در بردهای آردوینو را منتشر کرده‌ایم.

در این پست کوتاه سعی کردیم که حساسیت سیستم عامل FreeRTOS در اینترنت اشیا را توضیح دهیم. برای یادگیری این موضوع دو راه وجود دارد، خودآموز با آموزش‌های دیجی اسپارک و یا شرکت در کلاس آنلاین، میتوانید با پشتیبانی فروشگاه در تماس باشید. 

نحوه دسترسی به آموزش های سیستم عامل در دیجی اسپارک

لینک آموزش سیستم عامل به صورت مرحله ای، کلیک کنید

نحوه دسترسی به قطعات

لینک خرید بردهای ESP32، کلیک کنید

لینک خرید برد های STM، کلیک کنید

لینک خرید بردهای آردوینو، کلیک کنید