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物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 傳感器終端正在迅速部署，用來(lái)監測商業(yè)和工業(yè)流程和系統，并酌情增加人工智能 (AI) 和機器學(xué)習 (ML) 技術(shù)。特別是在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 中，對傳感器數據進(jìn)行分析，以提高效率，降低功耗，跟蹤系統整體性能，確保工人安全，維持安全功能，并通過(guò)預見(jiàn)性維護減少停機時(shí)間。 雖然該技術(shù)的使用越來(lái)越多，但對于剛接觸物聯(lián)網(wǎng)和云控制的設計者來(lái)說(shuō)，學(xué)習傳感器部署、調試以及云服務(wù)和連接的核心概念可能是一條陡峭的學(xué)習曲線(xiàn)，會(huì )讓他們無(wú)從下手。這可能會(huì )影響開(kāi)發(fā)時(shí)間并增加整體部署成本。 為了縮短學(xué)習曲線(xiàn)，交鑰匙型解決方案正變得越來(lái)越受歡迎，這樣可以簡(jiǎn)化物聯(lián)網(wǎng)連接和基于云的分析和儀表板演示。 本文將簡(jiǎn)要討論向物聯(lián)網(wǎng)連接和諸如亞馬遜網(wǎng)絡(luò )服務(wù) (AWS) 等云服務(wù)的轉變。然后，介紹 Microchip Technology 的 AWS 物聯(lián)網(wǎng)傳感器開(kāi)發(fā)板，說(shuō)明開(kāi)發(fā)人員如何使用它來(lái)輕松獲得可以支持 Wi-Fi 且連接 AWS 的傳感器節點(diǎn)，同時(shí)學(xué)習基本的物聯(lián)網(wǎng)和云控制概念。最后將討論 MikroElektronika 的子板如何快速與 Microchip 板對接，形成一個(gè)通過(guò) AWS 控制和監控的 3D 運動(dòng)傳感器板。 物聯(lián)網(wǎng)系統的作用在不斷擴大 物聯(lián)網(wǎng)和 IIoT 網(wǎng)絡(luò )正在擴展到新的領(lǐng)域。新型 IIoT 網(wǎng)絡(luò )最常見(jiàn)的應用是通過(guò)提高效率來(lái)改善生產(chǎn)力，同時(shí)保持并提升安全和安防。過(guò)程監測主要是通過(guò)安裝用來(lái)監控工業(yè)過(guò)程和環(huán)境的傳感器來(lái)完成的，包括溫度、濕度和壓力傳感器。諸如加速度、穩定性和沖擊等運動(dòng)數據、簡(jiǎn)單的模擬數據和開(kāi)關(guān)位置也屬于監控對象。機器人、工人或資產(chǎn)的位置可以通過(guò) GPS、RFID 標簽或各種無(wú)線(xiàn)三角測量算法來(lái)確定。 收集到的傳感器數據必須經(jīng)過(guò)分析，這樣既能提高效率，又能確保最佳的系統性能。監測和控制這些不同傳感器的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是將這些傳感器連接到現有的云服務(wù)器。使用這種方法，我們無(wú)需為建立一個(gè)具有適當安全性的定制網(wǎng)絡(luò )應用而耗費時(shí)間、精力。 然而，對于一些剛接觸物聯(lián)網(wǎng)和云控制的公司來(lái)說(shuō)，學(xué)習這些概念可能是一條陡峭的學(xué)習曲線(xiàn)，因此設施經(jīng)理和他們的工程師可能會(huì )無(wú)從下手。這可能導致在實(shí)施這些 IIoT 終端時(shí)造成延時(shí)，增加成本。 套裝能讓設計者迅速開(kāi)始使用物聯(lián)網(wǎng)和 IIoT 為了開(kāi)始使用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )和云計算，Microchip Technology 推出了支持 AWS 的 EV15R70A 物聯(lián)網(wǎng) Wi-Fi 開(kāi)發(fā)板（圖 1）。該開(kāi)發(fā)板是一種實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)和 AWS 連接的完整交鑰匙解決方案，可用作中樞器件在現場(chǎng)收集傳感器數據，將這些數據發(fā)送到 AWS，對數據進(jìn)行分析并在一個(gè)基于瀏覽器的簡(jiǎn)單界面上展示。該開(kāi)發(fā)板體積小，功能強大，提供了許多安全物聯(lián)網(wǎng)終端的選擇。 
圖 1：Microchip EV15R70A 物聯(lián)網(wǎng) Wi-Fi 開(kāi)發(fā)板是一種交鑰匙解決方案，用于將支持 Wi-Fi 的傳感器連接到 AWS，然后進(jìn)行分析、展示、監測和控制。（圖片來(lái)源：Microchip Technology） EV15R70A 由 Microchip Technology ATMEGA4808-MFR 20 兆赫 (MHz) 微控制器控制。這種控制器具有 48 千字節 (KB) 閃存和 6KB 的 SRAM。使用所示的 18 個(gè)端口引腳（Pxx，棕色標簽），這種容量的存儲器足以運行一個(gè)簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節點(diǎn)，并且有多余的容量用來(lái)控制因外部設備而增加的應用代碼。片載 EEPROM 的 256 字節用于存儲校準常數、安全信息、Wi-Fi 連接數據和傳感器數據。ATMEGA4808-MFR 采用一個(gè)功能強大的 8 位 megaAVR 內核，不僅可以輕松管理 IIoT 數據傳輸，而且功耗極小。通過(guò)使用一個(gè)能夠減少 CPU 周期的雙周期硬件乘法器，進(jìn)一步降低了功耗。 在 Wi-Fi 連接方面，ATMEGA4808 通過(guò) SPI 接口與 Microchip Technology 的 ATWINC1510-MR210PB1952802.11b/g/n Wi-Fi模塊連接（圖 2）。該器件包括 WEP、WPA 和 WPA2 安全技術(shù)，支持加密傳輸層安全 (TLS) 連接。在模塊零件編號中，“1952”代表 ATWINC1510 上的固件版本，所以后來(lái)的板子上可能有固件版本較晚的模塊。
圖 2：Microchip Technology 的 ATWINC1510-MR210PB 802.11b/g/n Wi-Fi 模塊通過(guò) TLS 支持 WEP、WPA 和 WPA2 安全。該器件通過(guò) SPI 串行端口與主機微控制器連接。（圖片來(lái)源：Microchip Technology） ATWINC1510-MR210PB 具有一個(gè)集成 PC 板天線(xiàn)，如圖 2 中的 A1 所示。這使得 EV15R70A 開(kāi)發(fā)板可以開(kāi)箱即用，有助于不熟悉射頻和天線(xiàn)布局的開(kāi)發(fā)人員更快速地啟動(dòng)工作。如果需要增加 Wi-Fi 范圍，可以連接一個(gè)外部天線(xiàn)。 ATWINC1510-MR210PB 需要 2.7 V 至 3.6 V 的電源，在不發(fā)送或接收時(shí)，其休眠電流僅為 0.380 毫安 (mA)。當無(wú)線(xiàn)電工作時(shí)，該模塊在發(fā)射時(shí)消耗 269 mA（最大），接收時(shí)消耗 61 mA。對于物聯(lián)網(wǎng)終端來(lái)說(shuō)，這樣的電流消耗已經(jīng)足夠低了，因此有助于延長(cháng)電池運行時(shí)間。該模塊通過(guò)了美洲、歐洲和亞洲使用的相應認證，能夠簡(jiǎn)化監管部門(mén)對納入了 EV15R70A 的最終設計的批準過(guò)程。 對 IIoT 網(wǎng)絡(luò )數據進(jìn)行加密 今天的安全互聯(lián)網(wǎng)流量通常使用 TLS 技術(shù)進(jìn)行加密，以防止敵對的運營(yíng)商了解任何捕獲的數據流量。但是，“中間人”攻擊仍然可以使用復雜的方法，通過(guò)尋找連接中的缺陷來(lái)攔截和捕獲數據。為了進(jìn)一步保證物聯(lián)網(wǎng)通信安全，應該對網(wǎng)絡(luò )數據進(jìn)行加密。 為了對在開(kāi)發(fā)板和 AWS 之間傳輸的數據進(jìn)行加密，EV15R70A 包括一個(gè) Microchip Technology 的 ATECC608A-MAHCZ-T 安全加密認證芯片。ATECC608A 通過(guò) I2C 接口與 ATMEGA4808 連接，對 Wi-Fi 傳感器數據進(jìn)行加密和解密。ATECC608A 支持許多加密標準，包括 AES-128 和 SHA-256。該開(kāi)發(fā)板還可用于存儲與 AWS 通信所使用的公用和私人加密密鑰。 每塊 EV15R70A 開(kāi)發(fā)板中的每個(gè) ATECC608A 都使用一套獨特的公鑰和私鑰進(jìn)行了編程，以便進(jìn)行數據加密和解密。關(guān)于 ATECC608A 加密和解密操作的詳細步驟，只能按照保密協(xié)議從 Microchip Technology 獲得。然而，使用該套件中包含的 ATMEGA4808 閃存固件，開(kāi)發(fā)人員只需事先了解一些加密協(xié)議，便能輕松地對開(kāi)發(fā)板和 AWS 之間傳輸的數據進(jìn)行加密和解密。對于剛剛接觸加密的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，這樣會(huì )大大簡(jiǎn)化其對物聯(lián)網(wǎng)終端進(jìn)行的操作。 至于物聯(lián)網(wǎng)終端，要增強針對網(wǎng)絡(luò )攻擊和密集物理攻擊的抵御能力，ATECC608A 器件內置了安全功能，可以抵御物理入侵。例如： · 該器件可以檢測到物理攻擊，如試圖以電子方式探測其內部狀態(tài)而解封設備。 · 該器件可以檢測到各種奇怪的攻擊，例如將設備置于極度寒冷的環(huán)境中，試圖保存存儲器內容。 · 該器件可以檢測到不尋常的 I2C 活動(dòng)，如非�？旎蚍浅Ｂ臅r(shí)鐘速度，以及非標準時(shí)鐘波形。 · 內部存儲器的內容是經(jīng)過(guò)加密的。 · 內部電路可能包含虛假電路，以規避反向工程。 將 EV15R70A 連接 AWS 通過(guò) EV15R70A 的固件，可以通過(guò)安全 Wi-Fi 將開(kāi)發(fā)板與 AWS 連接。一旦建立了與 AWS 的連接，就可以通過(guò)已連接適當 AWS 賬戶(hù)的任何網(wǎng)絡(luò )瀏覽器快速地監測、配置和控制該板。 開(kāi)始使用 AWS 開(kāi)發(fā)板時(shí)，開(kāi)發(fā)人員需要首先用 USB 電纜將開(kāi)發(fā)板與計算機上連接。計算機將會(huì )把該開(kāi)發(fā)板作為一個(gè)名為 CURIOSITY 的 USB 閃存驅動(dòng)器。然后，開(kāi)發(fā)人員可以像瀏覽典型閃存設備那樣瀏覽該開(kāi)發(fā)板。在根部有一個(gè)文件，其相應的被命名為 CLICK-ME.HTM。點(diǎn)擊這個(gè)文件可以在計算機的默認網(wǎng)絡(luò )瀏覽器中打開(kāi)器件的起始頁(yè)（圖 3）。
圖 3：EV15R70A 通過(guò) USB 電纜連接計算機，看起來(lái)像 USB 閃存設備。點(diǎn)擊文件 CLICK-ME.HTM 會(huì )在默認的網(wǎng)絡(luò )瀏覽器中出現一個(gè)網(wǎng)頁(yè)，向用戶(hù)介紹開(kāi)發(fā)板并提示需要更新的開(kāi)發(fā)板固件。（圖片來(lái)源：Microchip Technology） 在最初頁(yè)面，向開(kāi)發(fā)人員介紹開(kāi)發(fā)板，此時(shí)開(kāi)發(fā)人員應確定開(kāi)發(fā)板運行的是最新固件。點(diǎn)擊“獲取最新固件”就可以解決這個(gè)問(wèn)題。然后，開(kāi)發(fā)人員需要向下滾動(dòng)網(wǎng)頁(yè)，找到一個(gè)指導開(kāi)發(fā)人員如何配置開(kāi)發(fā)板操作的流程，使開(kāi)發(fā)板自動(dòng)連接本地 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò )。當成功配置和連接后，藍色的 Wi-Fi 狀態(tài) LED 指示燈亮。當連接到 AWS 賬戶(hù)時(shí)，綠色的 連接狀態(tài) LED 指示燈亮。這樣能直觀(guān)地看到開(kāi)發(fā)板的狀態(tài)，并助于解決連接問(wèn)題。 一旦與 AWS 建立了安全連接并且云應用投入運行，每次在開(kāi)發(fā)板和 AWS 之間發(fā)送數據時(shí)，黃色的數據傳輸 LED 指示燈閃爍。該開(kāi)發(fā)板包含光傳感器和溫度傳感器，并由 ATMEGA4808 對其進(jìn)行定期采樣。獲得的數據會(huì )被發(fā)送到 AWS，以便在線(xiàn)查看。 對于更高級的應用，開(kāi)發(fā)人員可以編寫(xiě)固件與任何 GPIO 引腳和外設進(jìn)行交互操作�？梢詫⒚}沖寬度調制 (PWM) 端口設置為產(chǎn)生一個(gè)波形，用于操作電機或執行機構，SPI 和 UART 可以設置為與外設進(jìn)行交互。這些交互中的任何一個(gè)都可以在連接相應 AWS 賬戶(hù)的網(wǎng)絡(luò )瀏覽器上進(jìn)行監測和控制。 EV15R70A 具有兼容 mikroBUS Click 子板的針座連接器，這種子板也可由 AWS 控制和監測。例如，MikroElektronika 的 MIKROE-1877 是一種 3D 運動(dòng)傳感器融合板，包括一個(gè)三軸加速計、一個(gè)陀螺儀和一個(gè)磁力計（圖 4）。通過(guò)一個(gè)板載運動(dòng)協(xié)處理器監測這三個(gè)傳感器，并通過(guò) mikroBUS Click I2C 接口將數據送回 EV45R70A。
圖 4：MikroElektronika 的 MIKROE-1877 是一塊 3D 運動(dòng)傳感器板。該板包括一個(gè)三軸加速度計、一個(gè)陀螺儀、一個(gè)磁力計和一個(gè)傳感器融合協(xié)處理器，并通過(guò)一個(gè)標準的 mikroBUS Click 接口與 EV45R70A 板 連接。（圖片來(lái)源：MikroElektronika） 將 MIKROE-1877 3D 運動(dòng)傳感器板插入 EV45R70A，開(kāi)發(fā)人員可以編寫(xiě)固件來(lái)監測和存儲來(lái)自傳感器板的數據�？梢耘渲靡粋�(gè) AWS 應用來(lái)監測傳感器板并記錄數據。當通過(guò)電池供電時(shí)，EV45R70A 與 MIKROE-1877 可用于監測機器人、車(chē)庫門(mén)或車(chē)輛情況，并能從任何兼容的網(wǎng)絡(luò )瀏覽器查看數據。 總結 對于不熟悉安全等關(guān)鍵領(lǐng)域的概念和細微差別的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，初次使用物聯(lián)網(wǎng)或具有云控制功能的 IIoT 終端可能需要經(jīng)歷一條陡峭的學(xué)習曲線(xiàn)。通常，了解這些技術(shù)的最佳方式是使用經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設計的硬件邊學(xué)邊做。利用 Microchip Technology 的 EV45R709A AWS 開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)人員可以快速學(xué)習物聯(lián)網(wǎng)、云存儲和云控制的基本概念，同時(shí)構建一個(gè)有用的、安全的遠程監測設備。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Bill Giovino |
