THine Value 可延長Raspberry Pi 和相機連接Cable的套件正在加速工業物聯網的Prototyping
2021.05.24
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Single board computer「Raspberry Pi」在電氣/電子工程師之間可以說是無人不曉的吧。最初投入市場是用於教育方面，現在則廣泛用於電子工作等業餘興趣用途和電子設備的Prototyping（試作）等等的用途之上。
尤其最近在電子設備Prototyping用途上被使用的的案例數量迅速增加。根據用戶的不同，將Raspberry Pi試作設備按原樣安裝到實際物聯網系統中變得越來越常見了。
為什麼呢? 有三個原因。 第一個是IoT（Internet of Things）技術在工業領域的應用正迅速擴大。 物聯網系統通過各種sensor收集數據，並利用這些數據提高生產效率，降低人工成本。因此就需要一個「電子設備」來處理sensor獲取的數據並將其發送到主機。 但是，從頭開始開發電子設備將花費相對大量的時間和較多的成本。 所以大家都希望能盡量簡單地開發它,因此花幾千日元即可入手的Raspberry Pi成了您的首選。
第二個原因是Raspberry Pi本身的可靠性不斷的在改善。 無論能以多低的開發成本簡單的開發，即使用於試作機,一旦可靠性不夠高那也無法實際融入工業領域的物聯網系統中。 然而，Raspberry Pi 的可靠性隨著每次規格更新和新產品發布而提高。 特別是最新產品「Raspberry Pi 4 Model B」，據說可靠性提已經達到可以在工業領域直接採用的水平。
第三個原因是他有自己的用戶論壇。 已經建立了一個用戶論壇來收集許多使用 Raspberry Pi 上不可或缺的情報。 因此，即使在使用過程中遇到一些麻煩，也很有可能可以找到作為解決問題線索的訊息。 在某些情況下，您也可以使用線上支援來解決問題。
基於以上三個原因，在工業領域的 IoT 系統中直接使用 Raspberry Pi 開發的試作機就成為可能了。
尤其最近在電子設備Prototyping用途上被使用的的案例數量迅速增加。根據用戶的不同，將Raspberry Pi試作設備按原樣安裝到實際物聯網系統中變得越來越常見了。
為什麼呢? 有三個原因。 第一個是IoT（Internet of Things）技術在工業領域的應用正迅速擴大。 物聯網系統通過各種sensor收集數據，並利用這些數據提高生產效率，降低人工成本。因此就需要一個「電子設備」來處理sensor獲取的數據並將其發送到主機。 但是，從頭開始開發電子設備將花費相對大量的時間和較多的成本。 所以大家都希望能盡量簡單地開發它,因此花幾千日元即可入手的Raspberry Pi成了您的首選。
第二個原因是Raspberry Pi本身的可靠性不斷的在改善。 無論能以多低的開發成本簡單的開發，即使用於試作機,一旦可靠性不夠高那也無法實際融入工業領域的物聯網系統中。 然而，Raspberry Pi 的可靠性隨著每次規格更新和新產品發布而提高。 特別是最新產品「Raspberry Pi 4 Model B」，據說可靠性提已經達到可以在工業領域直接採用的水平。
第三個原因是他有自己的用戶論壇。 已經建立了一個用戶論壇來收集許多使用 Raspberry Pi 上不可或缺的情報。 因此，即使在使用過程中遇到一些麻煩，也很有可能可以找到作為解決問題線索的訊息。 在某些情況下，您也可以使用線上支援來解決問題。
基於以上三個原因，在工業領域的 IoT 系統中直接使用 Raspberry Pi 開發的試作機就成為可能了。
可連接距離過短
但是,根據用作工業領域的物聯網系統的環境，現有的Raspberry Pi在性能和規格方面上仍存在不足的情況。
在工業領域的物聯網系統中，透過sensor獲取數據作為影像的案例有很多。 但是單只用Raspberry Pi的話，相機鏡頭模組與可連接的Cable長度最長也只有20cm～30cm。 如果只能連接這樣的距離，在使用上將受到很大限制。
例如，在農場物聯網系統中，相機鏡頭模組捕捉作物的生長狀態，遠程監控影像，如果發現任何問題，負責人會到現場採取對策。 但是，如果Cable只有20cm～30cm，就很難用它來監測貨架上種植的葡萄、桃子、梨子等作物。 架子的高度因農場而異，但一般在2m左右，因此無法將放置在地面上的Raspberry Pi與架子上安裝的相機鏡頭模組連接起來。 如果準備一條3~4m的長線，強行連接Raspberry Pi和相機鏡頭模組是也可以發送訊號, 但是影像中會受到很多干擾,如此一來便無法達到「監測作物生長情況」的目的。
當然，如果你把Raspberry Pi和相機鏡頭模組放在一個箱子裡，一起放在架子上，就可以解決線長的問題。 但是，可以設置殼子的地方非常有限，因此不能從根本上的解決問題。
在工業領域的物聯網系統中，透過sensor獲取數據作為影像的案例有很多。 但是單只用Raspberry Pi的話，相機鏡頭模組與可連接的Cable長度最長也只有20cm～30cm。 如果只能連接這樣的距離，在使用上將受到很大限制。
例如，在農場物聯網系統中，相機鏡頭模組捕捉作物的生長狀態，遠程監控影像，如果發現任何問題，負責人會到現場採取對策。 但是，如果Cable只有20cm～30cm，就很難用它來監測貨架上種植的葡萄、桃子、梨子等作物。 架子的高度因農場而異，但一般在2m左右，因此無法將放置在地面上的Raspberry Pi與架子上安裝的相機鏡頭模組連接起來。 如果準備一條3~4m的長線，強行連接Raspberry Pi和相機鏡頭模組是也可以發送訊號, 但是影像中會受到很多干擾,如此一來便無法達到「監測作物生長情況」的目的。
當然，如果你把Raspberry Pi和相機鏡頭模組放在一個箱子裡，一起放在架子上，就可以解決線長的問題。 但是，可以設置殼子的地方非常有限，因此不能從根本上的解決問題。
活用V-by-One HS訊號
為了解決Cable長度問題THine Electronics開發了長距離傳輸套件，可將Raspberry Pi與相機鏡頭模組的連接距離延長至15 m（圖1）。 這款長距離傳輸套件的正式名稱為「Cable Extension Kit for Raspberry Pi Camera」，產品型號為「THSER101」。
我們使用了高速interface技術「V-by-One HS」。 長距離傳輸套件的配置如圖2所示。 將傳送board連接到相機鏡頭模組，將接收board連接到 Raspberry Pi。傳送board搭載Transmitter（Serializer）IC「THCV241A」，可將MIPI CSI-2訊號轉換為V-by-One HS訊號，而接收board板則搭載Receiver (deserializer) IC「THCV242」，可將V-by-One HS訊號轉換傳回MIPI CSI-2 訊號。
使用Ethernet cable 「CAT5e」連接傳送board和接收board。 這樣的話,使用標準cable時傳輸距離為15m，但使用高質量屏蔽Ethernet cable可傳輸約20m左右。 而且，由於MIPI CSI-2訊號和V-by-One HS訊號的轉換幾乎不需要時間，因此相機鏡頭模組捕捉到的影像可以即時發送給Raspberry Pi。
目前，已確認它適用於「Raspberry Pi 4 Model B」和「Raspberry Pi 3 Model B+」兩種型號。 但是我們認為「在其他Model上也很有可能會有實際效果」。
另一方面，對應的相機鏡頭模組有兩個種類。 兩者都是專用於 Raspberry Pi 的相機鏡頭模組。 一種是「Raspberry Pi High Quality Camera（HQ 相機）」， 畫素為1230萬，最高對應50幀/秒。 另一個是「Raspberry Pi Camera Module V2（V2相機）」，最高可對應30幀/秒，800萬畫素。 在2013年發表的Raspberry Pi專用相機鏡頭模組「Raspberry Pi Camera V1.3（V1.3相機）」雖然操作模式有限，但是也能使用（圖3）。
不過, 這不能使用Raspberry Pi專用以外的相機鏡頭模組。 因為Raspberry Pi有相機鏡頭模組認證功能。 因此，只能連接專用的相機鏡頭模組。
圖 1 可傳輸長達 15 m 的影像數據
我們使用了高速interface技術「V-by-One HS」。 長距離傳輸套件的配置如圖2所示。 將傳送board連接到相機鏡頭模組，將接收board連接到 Raspberry Pi。傳送board搭載Transmitter（Serializer）IC「THCV241A」，可將MIPI CSI-2訊號轉換為V-by-One HS訊號，而接收board板則搭載Receiver (deserializer) IC「THCV242」，可將V-by-One HS訊號轉換傳回MIPI CSI-2 訊號。
使用Ethernet cable 「CAT5e」連接傳送board和接收board。 這樣的話,使用標準cable時傳輸距離為15m，但使用高質量屏蔽Ethernet cable可傳輸約20m左右。 而且，由於MIPI CSI-2訊號和V-by-One HS訊號的轉換幾乎不需要時間，因此相機鏡頭模組捕捉到的影像可以即時發送給Raspberry Pi。
圖２ 「Cable Extension Kit for Raspberry Pi Camera」的系統構成
目前，已確認它適用於「Raspberry Pi 4 Model B」和「Raspberry Pi 3 Model B+」兩種型號。 但是我們認為「在其他Model上也很有可能會有實際效果」。
另一方面，對應的相機鏡頭模組有兩個種類。 兩者都是專用於 Raspberry Pi 的相機鏡頭模組。 一種是「Raspberry Pi High Quality Camera（HQ 相機）」， 畫素為1230萬，最高對應50幀/秒。 另一個是「Raspberry Pi Camera Module V2（V2相機）」，最高可對應30幀/秒，800萬畫素。 在2013年發表的Raspberry Pi專用相機鏡頭模組「Raspberry Pi Camera V1.3（V1.3相機）」雖然操作模式有限，但是也能使用（圖3）。
圖3 V1.3相機上確認動作有效的模式
不過, 這不能使用Raspberry Pi專用以外的相機鏡頭模組。 因為Raspberry Pi有相機鏡頭模組認證功能。 因此，只能連接專用的相機鏡頭模組。
不需要任何programming
這次發表的Cable Extension Kit for Raspberry Pi Camera除了傳輸板和接收板外，還有將它們連接到相機鏡頭模組與Raspberry Pi的Flexible flat cable（FFC），和一條CAT5e cable（長度為2m），以及包含將接收板固定到Raspberry Pi的部件（圖 4）。
不需要一切的軟體開發。 因為它搭載了從相機鏡頭模組讀取各種數據並自動設置傳輸所需參數的功能。 因此購買後馬上就可以立即開始使用。
當然，市場上已經有別的可延長Raspberry Pi 和相機模組之間Cable連接套件。比如一些具有能將MIPI CSI-2 訊號用HDMI cable傳輸的功能的產品。 這是因為HDMI線比MIP線更適合長距離傳輸。 但是，即使有了這個長距離傳輸套件，也只能延長到5m左右。
另外，也有可以使用微波頻段訊號傳輸的 SMA（Sub Miniature type A）cable傳輸MIPI訊號的長距離傳輸套件。 有了這個，就可以傳輸超過 2m的數據。但是，SMA cable比較特殊，並不像 LAN cable (CAT5e)這樣便宜且容易買到。
Cable Extension Kit for Raspberry Pi Camera已經正式開始銷售。 它可以透過 Digi-Key 的網站購買。 價格為 6,825 日元（截至 2021 年 5 月 24 日）。 <點擊這裡購買>
圖４ 「Cable Extension Kit for Raspberry Pi Camera」內含的配件
不需要一切的軟體開發。 因為它搭載了從相機鏡頭模組讀取各種數據並自動設置傳輸所需參數的功能。 因此購買後馬上就可以立即開始使用。
當然，市場上已經有別的可延長Raspberry Pi 和相機模組之間Cable連接套件。比如一些具有能將MIPI CSI-2 訊號用HDMI cable傳輸的功能的產品。 這是因為HDMI線比MIP線更適合長距離傳輸。 但是，即使有了這個長距離傳輸套件，也只能延長到5m左右。
另外，也有可以使用微波頻段訊號傳輸的 SMA（Sub Miniature type A）cable傳輸MIPI訊號的長距離傳輸套件。 有了這個，就可以傳輸超過 2m的數據。但是，SMA cable比較特殊，並不像 LAN cable (CAT5e)這樣便宜且容易買到。
Cable Extension Kit for Raspberry Pi Camera已經正式開始銷售。 它可以透過 Digi-Key 的網站購買。 價格為 6,825 日元（截至 2021 年 5 月 24 日）。 <點擊這裡購買>
加強解決方案業務
一直以來THine Electronics都從事以半導體IC的開發/銷售為中心的業務。 沒有在半導體 IC 採用的套件和解決方案的開發/銷售相關上太過關注。
但是，能夠購買半導體IC並掌握它的用戶數量非常有限。 為了比以往增加更多用戶數量，我們有必要構建一個可以簡單運用半導體 IC 的環境。 考慮到這一點，THine Electronics 開始著手推出能夠直接使用半導體 IC的解決方案業務（套件業務）。
這次發布的Cable Extension Kit for Raspberry Pi Camera便是這一解決方案業務的第一款產品。 未來我們計劃擴大套件和解決方案的產品陣容。 例如，我們正在探討將對應 UVC（USB Video Class）的網絡攝影機產品化。
以上
※「Raspberry Pi」是Raspberry Pi集團的註冊商標
但是，能夠購買半導體IC並掌握它的用戶數量非常有限。 為了比以往增加更多用戶數量，我們有必要構建一個可以簡單運用半導體 IC 的環境。 考慮到這一點，THine Electronics 開始著手推出能夠直接使用半導體 IC的解決方案業務（套件業務）。
這次發布的Cable Extension Kit for Raspberry Pi Camera便是這一解決方案業務的第一款產品。 未來我們計劃擴大套件和解決方案的產品陣容。 例如，我們正在探討將對應 UVC（USB Video Class）的網絡攝影機產品化。
以上
※「Raspberry Pi」是Raspberry Pi集團的註冊商標