淺談IoT 中的傳感器和通信技術(shù)

　　功耗與安全性是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的兩大重要擔(dān)憂，尤其是在 IoT 傳感器命令和控制應(yīng)用程序中。

　　對(duì)于工業(yè) IoT 設(shè)計(jì)而言，微控制器不僅要自身的平均功耗盡可能低，還要具備讓設(shè)計(jì)的其余部分功耗降至最低的特性，這點(diǎn)非常重要。

　　對(duì)于低功耗或僅由電池供電型應(yīng)用，PIC24F 微控制器系列中采用的 Microchip 超低功耗 （XLP） 技術(shù)通過(guò)藍(lán)牙? LE （BLE） 連接讓 IoT 傳感器實(shí)現(xiàn)了極低功耗的基本命令和控制通信，并通過(guò)集成硬件加密引擎增強(qiáng)了安全性。

　　超低功耗

　　由于更多電子應(yīng)用程序要求低功耗或電池供電，節(jié)能成為首要問(wèn)題。 目前的應(yīng)用程序必須具有低功耗，并且在某些極端情況下，僅通過(guò)一塊電池就可持續(xù)運(yùn)行 20 年以上。 要實(shí)現(xiàn)諸如此類(lèi)的應(yīng)用程序，采用 Microchip 超低功耗 （XLP） 技術(shù)的產(chǎn)品可提供非常低的休眠電流，而超低功耗應(yīng)用程序有 90-99% 的時(shí)間都處于該狀態(tài)。 如圖 1 所示，16 位 XLP 技術(shù)能讓休眠電流降至 40 nA，運(yùn)行電流降至 180 μA/MHz。

　　圖 1：不同休眠模式的 PIC24FJ128GB204 電流消耗

　　該類(lèi)型超低功耗器件的一個(gè)典范是 Microchip PIC24FJ128GB204 微控制器。 它具有多個(gè)用于極大降低功耗和靈活喚醒資源的功率管理選項(xiàng)，例如深度休眠狀態(tài)下，幾乎完全關(guān)機(jī)，但能通過(guò)內(nèi)部或外部觸發(fā)器喚醒，例如當(dāng)環(huán)境傳感器需要采集異步/定期讀數(shù)時(shí)。 休眠和待機(jī)模式選擇性地關(guān)閉外設(shè)和/或內(nèi)核，以大幅降低功耗，并可快速喚醒較關(guān)鍵的應(yīng)用程序中斷，如安全攝像頭運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器。 打盹模式讓 CPU 能以比外設(shè)更低的時(shí)鐘速度運(yùn)行，可選時(shí)鐘模式可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)切換至更低的時(shí)鐘速度，從而選擇性地降低功耗。 另一種新的休眠模式是低電壓保留休眠，它通過(guò)單獨(dú)的低壓穩(wěn)壓器向基礎(chǔ)電路供電。 它還帶有 Vbat 引腳，能讓器件對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷過(guò)渡到備用電池，以實(shí)現(xiàn)最低功耗。

　　具有多種靈活的休眠和喚醒模式來(lái)實(shí)現(xiàn)超低功耗的微控制器，對(duì)于功率受限應(yīng)用程序至關(guān)重要。 低功耗在所有系統(tǒng)功能中也非常重要，如通信。

　　低功耗通信

　　在感測(cè)數(shù)據(jù)和執(zhí)行代碼時(shí)，應(yīng)用程序需要盡快高效地處理并傳輸信息，然后返回休眠，以優(yōu)化電池壽命。 許多應(yīng)用程序僅需要簡(jiǎn)單命令和控制，或者通過(guò)傳感器進(jìn)行快速狀態(tài)更新。 通過(guò)滿足這些需求，低功耗藍(lán)牙 （LE） 已發(fā)展成支持這些低占空比應(yīng)用程序。 根據(jù)藍(lán)牙 SIG 規(guī)范頁(yè)面，“藍(lán)牙 LE—允許長(zhǎng)程無(wú)線電連接的短脈沖，非常適合無(wú)需連續(xù)連接但依賴于長(zhǎng)電池壽命的物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應(yīng)用程序?！?BLE 在與常規(guī)藍(lán)牙技術(shù)相同的頻帶（2.400 GHz 到 2.4835 GHz ISM 頻帶）內(nèi)工作，但使用另一組通道和不同的調(diào)制技術(shù)。 您可以在藍(lán)牙 SIG 網(wǎng)站的規(guī)范中獲取更多關(guān)于 BLE 4.x 規(guī)范的信息。

　　Microchip 的 RN4020 支持 BLE，這是一款通過(guò)完全認(rèn)證的藍(lán)牙版本 4.1 低功耗模塊，專(zhuān)為想要將低功耗無(wú)線能力加入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師打造。 這款外形小巧的表面貼裝模塊具有完整板載藍(lán)牙堆棧，通過(guò) UART 接口的簡(jiǎn)單 ASCII 命令進(jìn)行控制。 RN4020（圖 2）包括所有藍(lán)牙 SIG 配置文件，以及用于定制數(shù)據(jù)的 MLDP（Microchip 低功耗數(shù)據(jù)配置文件）。 Microchip 還有其他支持更高版本 BLE 規(guī)范的產(chǎn)品，如 BM71 藍(lán)牙 （4.2） 低功耗模塊，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于輕松部署到各種應(yīng)用程序中。 它支持最新藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，可提升高達(dá) 2.5 倍的吞吐量，并且連接安全性比基于藍(lán)牙 4.1 的產(chǎn)品更高。

　　對(duì)于低功耗廣域網(wǎng) （WAN），Microchip LoRa? 模塊提供板載 LoRaWAN? 協(xié)議堆棧。 LoRaWAN 協(xié)議可輕松連接至 LoRa 網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，提供智能設(shè)備之間的無(wú)縫互操作性。

　　除了低功耗連接到互聯(lián)網(wǎng)外，許多應(yīng)用程序還有數(shù)據(jù)安全傳輸和存儲(chǔ)要求。

　　提供數(shù)據(jù)保護(hù)的集成硬件加密

　　安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)許多應(yīng)用程序都很重要，包括注重?cái)?shù)據(jù)記錄的應(yīng)用程序、將數(shù)據(jù)保存到閃盤(pán)的應(yīng)用程序、或者需要從多個(gè)配置文件加載的應(yīng)用程序。 無(wú)論數(shù)據(jù)是通過(guò)某些類(lèi)型的外部存儲(chǔ)器（如 EEPROM）存儲(chǔ)在板載 MCU 上，還是通過(guò) USB 或無(wú)線發(fā)送到另一臺(tái)設(shè)備，加密對(duì)于保護(hù)數(shù)據(jù)完整性和保障通信至關(guān)重要。

　　Microchip PIC24FJ128GB204 微控制器系列包括全功能集成硬件加密引擎，支持 AES、DES 和 Triple DES。 所含的隨機(jī)數(shù)生成器用于創(chuàng)建數(shù)據(jù)加密/解密和身份驗(yàn)證密鑰，并通過(guò)生成難以復(fù)制的密鑰提高安全性。 一次性可編程 （OTP） 密鑰存儲(chǔ)可保護(hù)加密密鑰被軟件讀取或覆蓋。

　　通過(guò)在硬件（而非軟件）中實(shí)施這些功能，可降低軟件開(kāi)銷(xiāo)和處理帶寬。 集成硬件 AES 比軟件 AES 速度快 10 倍左右。 這種速度優(yōu)勢(shì)能讓您以更低的頻率運(yùn)行 MCU，以節(jié)省功耗。 硬件保護(hù)非常適合低占空比應(yīng)用程序或低功耗嵌入式安全應(yīng)用程序，如安全攝像頭、門(mén)鎖和面板、智能卡讀卡器、POS 終端和投票機(jī)等。

　　PIC24FJ128GB204 產(chǎn)品系列采用的集成硬件加密引擎被視為獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè) （CIP）。 一旦在系統(tǒng)中初始化，CIP 便可提供穩(wěn)態(tài)閉環(huán)嵌入式控制，無(wú)需 MCU 內(nèi)核介入。 因此，這些器件簡(jiǎn)化了復(fù)雜控制系統(tǒng)的實(shí)施，讓設(shè)計(jì)人員更加靈活地去創(chuàng)新。

　　帶有安全傳感器數(shù)據(jù)的 PIC24 XLP 器件就是如何實(shí)施這種嵌入式安全性的例子。

　　IoT 中的傳感器

　　根據(jù)需要檢測(cè)的事件性質(zhì)，IoT 應(yīng)用中有許多不同類(lèi)型的傳感器。 傳感器分類(lèi)包括環(huán)境、運(yùn)動(dòng)、光、物理、化學(xué)和電，還可進(jìn)一步擴(kuò)展到許多其他領(lǐng)域，如導(dǎo)航、光學(xué)、壓力、力學(xué)和近距離等。 最終目標(biāo)是在最終用戶或機(jī)器與捕捉數(shù)據(jù)或控制致動(dòng)器的嵌入式系統(tǒng)之間創(chuàng)建交互。 顯然，藍(lán)牙應(yīng)用的用戶界面選擇正是移動(dòng)技術(shù)。

　　Microchip 已開(kāi)發(fā)出 PIC24 XLP 藍(lán)牙 LE IoT 演示（圖 3），展示了這種基本傳感器能力。 該演示采用 Microchip 標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)工具構(gòu)建，包括 Explorer 16 開(kāi)發(fā)板、PIC24FJ128GB204 處理器插件模塊 （PIM） 和藍(lán)牙 LE PICtail Plus 子卡。 這些隨時(shí)可用的工具可讓您自行輕松重現(xiàn)該演示。 該演示由 MCU 固件和一款將在 Android 手機(jī)和平板電腦上運(yùn)行的應(yīng)用程序提供支持。 第一個(gè)應(yīng)用程序是使用平板電腦上的觸摸鍵打開(kāi)或關(guān)閉 LED，演示了基本的雙向命令和控制。 該應(yīng)用程序還展示了板載開(kāi)關(guān)的狀態(tài)（打開(kāi)和關(guān)閉）。 該演示還包括采用 PIC24FJ128GB204 MCU 集成加密引擎的數(shù)據(jù)安全（最多 128 位 AES），以及連接到其中一個(gè)微控制器 A/D 通道的 Microchip TC1074A 模擬輸出熱傳感器。

　　連接到云

　　對(duì)于 IoT 設(shè)備，連接到云有許多益處。 例如，遠(yuǎn)程命令和控制、遠(yuǎn)程診斷和現(xiàn)場(chǎng)再編程能力、配置文件和狀態(tài)、以及推送通知等。 將您的 IoT 產(chǎn)品接入云端的潛在途徑有許多種。 一些常見(jiàn)配置包括 1） 通過(guò)路由器的 Wi-Fi?，2） 通過(guò)手機(jī)連接的藍(lán)牙，3） 通過(guò)路由器的以太網(wǎng)，4） 通過(guò)網(wǎng)關(guān)的 LoRa，以及 5） 通過(guò)網(wǎng)關(guān)和路由器的 MiWi。 通過(guò)各種無(wú)線解決方案、傳感器和超低功耗微控制器，Microchip 產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)端到端的 IoT 解決方案，包括最終產(chǎn)品和所需連接，幫助您成功將嵌入式系統(tǒng)連接到云。

　　結(jié)論

　　功耗和安全性是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的兩大重要擔(dān)憂，不僅是微處理器，IoT 設(shè)計(jì)的其余部分亦然。 對(duì)于低功耗或電池供電型應(yīng)用，Microchip 擁有一整套適合這些應(yīng)用的產(chǎn)品，包括具有極低電流的超低功耗 （XLP） 技術(shù)微控制器，通過(guò)集成硬件加密引擎解決安全問(wèn)題，還提供多種連接到云的通信途徑。