本文討論并演示如何使用 Amazon FreeRTOS 快速、安全地將設(shè)計(jì)連接到云

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員一般使用不聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備在裸機(jī)上工作，但 IoT 卻要求系統(tǒng)連接到因特網(wǎng)。這就要求嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員了解如何連接其設(shè)備和使用較高級(jí)別的操作系統(tǒng)，如實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS)。

有了 Amazon FreeRTOS，開(kāi)發(fā)人員不需要從頭開(kāi)始和進(jìn)行面面俱到地學(xué)習(xí)，即可以將嵌入式系統(tǒng)安全地連接到因特網(wǎng)。該系統(tǒng)能夠讓開(kāi)發(fā)人員以安全的方式將設(shè)備快速簡(jiǎn)單地連接到 Amazon Web Services (AWS)，從而簡(jiǎn)化其開(kāi)發(fā)工作。本文將討論并演示如何使用 Amazon FreeRTOS。

Amazon FreeRTOS 簡(jiǎn)介

Amazon FreeRTOS 是一種以開(kāi)源 FreeRTOS 內(nèi)核為核心的 RTOS，配備有附加組件，以實(shí)現(xiàn)本地和云連接、安全保護(hù)以及無(wú)線 (OTA) 更新。FreeRTOS 內(nèi)核是已經(jīng)存在十年以上的知名 RTOS，能提供下列有用的功能：

• 基于優(yōu)先級(jí)的任務(wù)調(diào)度

• 信號(hào)

• 互斥器

• 消息隊(duì)列

另外，F(xiàn)reeRTOS 免費(fèi)提供，擁有 MIT 軟件許可。

讓 Amazon FreeRTOS 獨(dú)樹(shù)一幟并能吸引嵌入式軟件開(kāi)發(fā)人員的原因是，它向 FreeRTOS 增加了連接庫(kù)和安全性。然后將所有功能結(jié)合到一個(gè)單一聚合框架中，使開(kāi)發(fā)人員能夠以安全方式將其設(shè)備立刻連接到云服務(wù)，開(kāi)箱即用。

選擇 Amazon FreeRTOS 硬件

FreeRTOS 內(nèi)核本身依賴幾十個(gè)不同的微控制器架構(gòu)才能工作。Amazon FreeRTOS 現(xiàn)已通過(guò) Amazon FreeRTOS Qualification Program 資格認(rèn)證程序，在四個(gè)不同的微控制器供應(yīng)商硬件平臺(tái)上進(jìn)行了充分測(cè)試和集成。具體包括：

• Microchip 的Curiosity PIC32MZ EF 開(kāi)發(fā)板

• NXP Semiconductors 的 LPC54018 IoT 模塊（圖 1）

• STMicroeletronics 的 STM32L4 Discovery 套件 IoT 節(jié)點(diǎn)

• Texas Instruments 的 CC3220SF-LaunchXL

圖 1：NXP Semiconductors 的 LPC54018 IoT 模塊基于帶有 128 Mb Macronix MX25L12835 Quad-SPI 閃存的 Arm? Cortex?-M4 180 MHz 微控制器。一個(gè)可以快速啟動(dòng) Amazon FreeRTOS 的全集成 Wi-Fi 模塊。（圖片來(lái)源：NXP Semiconductors）

這些開(kāi)發(fā)套件全部都進(jìn)行了充分的 Amazon FreeRTOS 測(cè)試，但開(kāi)發(fā)人員也可以選擇自己偏好的芯片供應(yīng)商。例如，值得注意的是，Amazon FreeRTOS 還支持 OTA，但這種支持目前只在 Texas Instruments CC3220SF-LaunchXL（圖 2）的公測(cè)版中提供。此開(kāi)發(fā)板基于 Arm? Cortex?-M4 微控制器，并且具有板載溫度傳感器、加速計(jì)、三個(gè) LED 指示燈和可編程用戶按鈕。該模塊提供了一個(gè)可以啟動(dòng) Amazon FreeRTOS 的全集成解決方案。

未來(lái)，OTA 毫無(wú)疑問(wèn)也會(huì)支持其它開(kāi)發(fā)板，但如果當(dāng)前該功能是關(guān)鍵設(shè)計(jì)特性，那就要從 Texas Instruments 解決方案開(kāi)始著手。

圖 2：Texas Instruments 的 CC3220SF-LaunchXL 是一個(gè)可以啟動(dòng) Amazon FreeRTOS 的全集成解決方案。它還支持 Amazon FreeRTOS OTA 測(cè)試版演示示例。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

大多數(shù)開(kāi)發(fā)套件是單模塊套件，屬于單板解決方案。不過(guò)，Microchip Curiosity 開(kāi)發(fā)套件要求開(kāi)發(fā)人員購(gòu)買其它模塊，如以太網(wǎng)、Wi-Fi 模塊和 USB 到 UART 轉(zhuǎn)換器。

該開(kāi)發(fā)板基于 PIC32 微控制器，但為了獲得可與 Amazon FreeRTOS 一起使用的全功能開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)人員還需要購(gòu)買其它組件。能夠獲得全功能 Amazon FreeRTOS 的最佳實(shí)例組件是 MikroElektronika 的 MIKROE 擴(kuò)展模塊：

• MIKROE-2046 Wi-Fi 模塊

• MIKROE USB 到 UART 子板

• Microchip LAN8720 子板

之后，完成組裝的開(kāi)發(fā)板將如圖 3 所示。此時(shí)開(kāi)發(fā)人員即已準(zhǔn)備就緒，可以運(yùn)行 Amazon RTOS 示例應(yīng)用。

圖 3：Microchip Technology 的 PIC32MZEF Curiosity 開(kāi)發(fā)套件提供模塊化設(shè)計(jì)，便于開(kāi)發(fā)人員通過(guò)其開(kāi)發(fā)套件定制其應(yīng)用需要的組件。所示的圖片還包含 MIKROE Wi-Fi 以及 MIKROE USB 到 UART 子板。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

將 Amazon FreeRTOS 連接到云

在上一節(jié)討論的任何開(kāi)發(fā)套件上啟動(dòng)并運(yùn)行 Amazon FreeRTOS 都比較簡(jiǎn)單。每個(gè)開(kāi)發(fā)板都有演示，隨時(shí)可以按照有關(guān)演示的逐步說(shuō)明來(lái)運(yùn)行演示。例如，Microchip 開(kāi)發(fā)板的說(shuō)明位于以下鏈接中：https://docs.aws.amazon.com/freertos/latest/userguide/getting_started_mch.html。

首先，找到該開(kāi)發(fā)套件的相應(yīng)入門指南。

接下來(lái)，安裝硬件。對(duì)于大多數(shù)開(kāi)發(fā)套件，硬件是全包含的，但如果選擇了 Microchip 解決方案，則需要將每個(gè)模塊板添加到 Curiosity 板上，并且還需要連接一個(gè)外部編程工具，如 ICD4。

圖 4：已組裝并連接到 ICD4 編程工具的 PIC32MZEF Curiosity 開(kāi)發(fā)套件。此設(shè)置使用有線以太網(wǎng)連接來(lái)運(yùn)行演示。（圖片來(lái)源：Amazon）

硬件安裝完成后，下一步便是安裝編譯 Amazon FreeRTOS 示例的開(kāi)發(fā)環(huán)境。例如，使用 Microchip 的開(kāi)發(fā)人員應(yīng)下載 MPLAB X 以及 XC32 編譯器。

要想能夠訪問(wèn) Amazon FreeRTOS 示例，注冊(cè) AWS 并訪問(wèn)其控制臺(tái)。AWS 提供 12 個(gè)月的免費(fèi)試用套餐，以便開(kāi)發(fā)人員可以訪問(wèn) AWS、Amazon FreeRTOS 和對(duì)開(kāi)發(fā)連接設(shè)備有幫助的其它功能。單擊此處可以完成帳戶注冊(cè)。一旦帳戶創(chuàng)建完畢，即可訪問(wèn) Amazon FreeRTOS 頁(yè)面，該頁(yè)面會(huì)提供 Amazon FreeRTOS 的軟件配置列表。這些配置包括每個(gè)開(kāi)發(fā)套件的源文件以及 Amazon FreeRTOS 仿真器。下載與開(kāi)發(fā)套件匹配的預(yù)定義配置，并將其導(dǎo)入開(kāi)發(fā)環(huán)境中。例如，相應(yīng)的 Curiosity 板應(yīng)使用針對(duì) Curiosity PIC32MZEF 的預(yù)定義“Connect to AWS IoT – Microchip” 配置。

圖 5：Amazon FreeRTOS 軟件配置頁(yè)面擁有多個(gè)適合不同開(kāi)發(fā)套件和不同應(yīng)用的預(yù)定義軟件配置。使用這些預(yù)定義配置將演示應(yīng)用連接到 AWS，然后即可迅速啟動(dòng)開(kāi)發(fā)。（圖片來(lái)源：Amazon）

Amazon FreeRTOS 下載完成后，開(kāi)發(fā)人員應(yīng)返回其 AWS 控制臺(tái)并單擊設(shè)置按鈕。設(shè)置時(shí)，開(kāi)發(fā)人員將發(fā)現(xiàn)自己被分配了一個(gè) IoT 端點(diǎn)，如：

<1234567890123>.iot..amazonaws.com。

這個(gè)編號(hào)很重要，可以使 IoT 設(shè)備連接到 AWS。隨后，開(kāi)發(fā)人員可以在示例項(xiàng)目中找到 aws_clientcredential.h 并設(shè)置下列屬性：

• clientcredentialMQTT_BROKER_ENDPOINT

• clientcredentialIOT_THING_NAME

• clientcredentialWIFI_SSID

• clientcredentialWIFI_PASSWORD

• clientcredentialWIFI_SECURITY

此時(shí)，開(kāi)發(fā)人員只需要配置自己的設(shè)備密鑰。而為了生成密鑰，需轉(zhuǎn)至 AWS 控制臺(tái)并選擇 Secure（安全）-> Certificates（證書）。此外，也可以使用快速創(chuàng)建證書的選項(xiàng)。單擊此選項(xiàng)將生成與圖 6 所示類似的證書。為嵌入式設(shè)備生成密鑰文件需要這個(gè)私人密鑰和證書。

圖 6：創(chuàng)建證書和密鑰需要開(kāi)發(fā)人員在 AWS 中創(chuàng)建自己的證書。這樣生成的三個(gè)文件分別為證書、公共密鑰和私人密鑰。（圖片來(lái)源：Amazon）

密鑰生成器位于：

demoscommondevmode_key_provisioningCertificateConfigurationToolCertificateConfigurator.htm

在瀏覽器中加載 html 文件會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與圖 7 所示類似的界面。

通過(guò)使用 AWS 控制臺(tái)生成的證書和私人密鑰文件，開(kāi)發(fā)人員可以生成自己的 aws_clientcredential_key.h 配置文件。一旦完成此操作，則編譯項(xiàng)目并將軟件部署到嵌入式目標(biāo)中。

圖 7：AWS 中生成的證書和私人密鑰可用于創(chuàng)建密鑰配置模塊，該模塊將加載到微控制器并用于創(chuàng)建到 AWS 的安全連接。（圖片來(lái)源：Amazon）

開(kāi)發(fā)人員剩下的最后一個(gè)步驟是訂閱其設(shè)備的 MQTT 消息。此操作可以通過(guò)在 AWS 中轉(zhuǎn)至測(cè)試菜單，然后訂閱 freertos/demos/echo 來(lái)完成

這個(gè)時(shí)候，開(kāi)發(fā)人員應(yīng)看到安全到達(dá)其 AWS 的 MQTT 消息。

Amazon FreeRTOS 的使用技巧與訣竅

啟動(dòng)并運(yùn)轉(zhuǎn) FreeRTOS 甚至對(duì)一個(gè)入門級(jí)的工程師來(lái)說(shuō)都是非常簡(jiǎn)單的。盡管它易于使用，但是開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)始使用時(shí)還是應(yīng)記住幾個(gè)技巧和訣竅。具體包括：

• 在設(shè)計(jì)階段，通過(guò)查看下面的網(wǎng)頁(yè)評(píng)估使用 AWS 產(chǎn)生的相關(guān)費(fèi)用：https://aws.amazon.com/iot-device-management/pricing/

• 在開(kāi)發(fā)階段，利用 AWS 的 12 個(gè)月免費(fèi)試用期設(shè)置和配置嵌入式產(chǎn)品。

• 從預(yù)配置示例開(kāi)始著手，而不是試著從頭開(kāi)始配置。

• 如果可能，訂購(gòu)一個(gè)專門與 Amazon FreeRTOS 配套使用的完全組裝好的開(kāi)箱即用型開(kāi)發(fā)套件。

• 不要忘記 FreeRTOS 是開(kāi)源 RTOS，未經(jīng)過(guò)安全認(rèn)證。

• 花時(shí)間觀看 AWS 的 10 分鐘教程，為有效使用 AWS 提供一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

• 考慮使用 Amazon FreeRTOS 的內(nèi)置無(wú)線 (OTA) 更新功能 (https://docs.aws.amazon.com/freertos/latest/userguide/freertos-ota-dev.html)。

總結(jié)

Amazon FreeRTOS 內(nèi)置的功能可以為嵌入式開(kāi)發(fā)人員提供一種將其系統(tǒng)輕松連接到因特網(wǎng)的方法。雖然 Amazon FreeRTOS 本身是免費(fèi)的，但開(kāi)發(fā)人員可以先購(gòu)買一個(gè)低廉的開(kāi)發(fā)套件并在了解現(xiàn)有示例之后再確定 Amazon FreeRTOS 能否滿足其設(shè)計(jì)要求，如此便可輕松入門。