Az IoT-infrastruktúra integritásának biztosítása intelligensebb csomópontokon keresztül

Az eszközök internetes hálózatának (IoT) infrastruktúrája több módon is károsodhat. Fennállhat annak a lehetősége, hogy az IoT-csomópontok a telepítés előtt, a szállítás során sérülnek. Előfordulhat, hogy az alkalmazási környezet miatt kedvezőtlen körülményeknek vannak kitéve – a szélsőséges hő, a magas páratartalom vagy az erőteljes rezgések potenciális veszélyt jelentenek a hosszú távú üzemeltetésre. Ugyanakkor sérülékenyek lehetnek az ártó szándékú fizikai támadásokkal vagy a különböző típusú biztonsági incidensek egész sorával szemben.

Létezik egy meghatározás, amely szerint egy lánc annyira erős, mint a leggyengébb láncszeme. Ez nem feltétlenül igaz az IoT-infrastruktúrák összes típusára, különösen azokra nem, amelyek a mesh hálózatok előnyeit élvezik. A több csomópont és az önjavítási lehetőség ellenére azonban nem beszélhetünk megfelelő redundanciáról, ha valamelyik záró csomópont meghibásodik. Ha csak a világszerte alkalmazott IoT-eszközök puszta számát vesszük figyelembe, a hálózat folyamatos integritásának biztosítása monumentális feladattá válik. A MarketsandMarkets által nemrégiben végzett kutatásból az derült ki, hogy az IoT-csomópontok és -átjárók száma 2023-ra túl fogja lépni a 17 milliárdot, más elemzőcégek ezt még magasabbra teszik.
Mivel a közeljövőben ilyen jelentős számú IoT-hálózat működésbe lépésére számítunk, az ezeket alkotó csomópontoknak intelligensebbekké kell válniuk. Képesnek kell lenniük önellenőrzések elvégzésére, bármely hibás működésre utaló jel esetén saját áramköreik felülvizsgálatára, és biztosítaniuk kell az összegyűjtött és továbbított adatok sértetlenségét. Vegyük példaként a gyorsulásmérővel felszerelt IoT-csomópontot, amelyet a szállítmányozás során leejtettek. A gyorsulásmérő rögzíti a leejtés tényét és az adatokra gyakorolt hatást, majd a mikrovezérlő egység aktiválása révén elvégezteti a tok helyzetének – a padlóra érkezés pillanatában – a meghatározásához szükséges számításokat (pl. hogy oldalára, élére vagy sarkára esett-e). Ebből meg lehet határozni, hogy sérült-e a tok, és ha igen, akkor továbbítani lehet az információt az IoT-átjárón keresztül, és tájékoztatni lehet az értékesítőt vagy az ügyfelet a csere szükségességéről. Amikor ilyen funkciókkal tervezik a csomópontokat, akkor a mérnököknek olyan kulcsfontosságú elemeket kell számításba venniük, mint például az MCU, a memória, az energiakezelés és a vezeték nélküli kapcsolat, valamint az érintett érzékelők. A cikkben kifejezetten azokra a mikrokontrollerekre összpontosítunk, amelyek képesek támogatni az öndiagnosztikai funkciókat, és hozzásegítenek a csomópont sérült vagy megrongálódott állapotának felismeréséhez, és utána megfelelő lépéseket kezdeményeznek.
Ma az IoT-alkalmazások többsége 16 vagy 32 bites MCU-kkal működik, a csomópont bonyolultságától, az áramellátástól és az igényelt adatátviteli sebességtől függően. Az olyan záró csomópontok vagy átjáró eszközök, amelyek kifinomult algoritmusokkal járnak, rendszerint 32 bites MCU-t igényelnek. A modern IoT-csomópontoknál a titkosítás biztonsága (például AES-256) is létfontosságú követelmény.

Energiatakarékos 16 bites MCU-k

A Microchip PIC24E-termékcsaládjának jellemzői a kiemelkedő teljesítmény, az általános célt szolgáló 16 bites MCU-k megnövelt kódsűrűséggel és 3,3 V esetén akár 70 MIPS sebességű működés. Ezek az eszközök CAN kommunikációt, beépített műveleti erősítőket, és motorvezérlést, USB OTG (On-The-Go) lehetőséget, kiemelkedő ADC-teljesítményt biztosítanak, és az adatok gyors mozgatását a DMA-csatornákon keresztül. Ezek kis (akár 5 mm × 5 mm-es) tokozásban kaphatók, méretezhető memóriával (egészen 536 kB méretig) és (bizonyos opcióknál akár 150 °C fokig) kibővített hőmérsékleti tartományokkal.
A Texas Instruments MSP430 csekély áramfogyasztású MCU-sorozatai több mint 25 féle tokformában állnak rendelkezésre, különböző alkalmazások kezelésére szolgáló különböző perifériakészletekkel. Ezek jellemzői az erőteljes 16 bites RISC CPU-k, akár 512 kB flashmemóriával és 64 kB RAM-mal, 16 bites regiszterekkel és a kód hatékonyságának maximalizálását szolgáló mechanizmusokkal. A digitális vezérlésű rezgőkristályok lehetővé teszik, hogy alacsony energiafelvételű állapotból 6 µs-nál rövidebb idő alatt aktív állapotba kapcsoljon. A kiterjedt érzékelő- és mérési portfólió támogatásával ezek az MCU-k analóg és digitális perifériákat foglalnak magukban, hogy csökkentsék az anyagköltségeket, megkönnyítsék a tervezést és javítsák a teljesítményt. A beépített funkciók körébe tartoznak az adatátalakítók, műveleti erősítők, komparátorok és időzítő a fejlettebb perifériákhoz, például a kapacitív és ultrahangos érzékeléshez. Ezek az MCU-k hét alacsony energiafelvételű állapotban működhetnek, az áramfogyasztás jellemzői <100 μA/MHz, 0,1 μA RAM-megőrzés és <1 μA RTC mód (ami lehetővé teszi, hogy az akkumulátor élettartama meghaladja a 20 évet).

1. ábra Texas MSP430 mikrokontroller

IoT-orientált 32 bites MCU-k

Az ADuCM3027 és ADuCM3029 – Analog Devices – csekély áramfogyasztású MCU-i 32 bites ARM Cortex-M3 processzormaggal rendelkeznek, ami közvetlenül felhasználható az optimális teljesítményt és áramfogyasztási jellemzőket célzó konfiguráció eléréséhez, ugyanakkor továbbra is biztosítja az IoT-környezetektől elvárt kritikus biztonsági és megbízhatósági funkciókat. Ez a két modell csak a flashmemória kapacitásában tér el egymástól, amely 128 vagy 256 kB lehet (mindkettő beépített ECC titkosítással). Ezek az egészségügyi, építési/gyárautomatizálási, intelligens mezőgazdasági, intelligens energiaalkalmazásokra szánt MCU-k az Embedded Microprocessor Benchmark Consortium (EEMBC) értékelése szerint 245,5 ULPBench eredményt értek el. Az áramfogyasztási jellemzők közé tartozik az aktív állapot (full-on mode) <30 μA/MHz mellett, flexi állapot (mag alvó módban, perifériák aktívak) <300 μA mellett és a hibernálási állapot (SRAM megőrzéssel) <750 nA mellett. A gyorsított titkosítást számos hardveres és szoftveres védelmi mechanizmus teszi lehetővé, ideértve az erős olvasással szembeni védelem eredményeit, amelyek megelőzik, hogy jogosulatlan felhasználók elolvassanak bármilyen eszközön lévő tartalmat. Az áramkörön belüli írásvédelem kizárja továbbá, hogy nem megbízható kóddal újraprogramozzák. A feszültség nyomon követése készenléti üzemmódban és a flashmemória hibajavítása növeli a megbízhatóságot azon meghibásodások elkerülésével, amelyek működési problémákat idézhetnek elő vagy a rendszerek összeomlását okozhatják.

2. ábra Analog Devices ADuCM3027/ADuCM3029 mikrokontrollerek

Az NXP Semiconductors cég LPC540 32 bites mikrokontrollerjei a 180 MHz-es ARM Cortex-M4 magot különlegesen energiahatékony architektúrával, továbbfejlesztett HMI funkciókkal és rugalmas kommunikációs perifériákkal kombinálják, hogy erőteljes, valós idejű teljesítményt nyújtsanak a következő generációs IoT-infrastruktúrához. Rugalmasság, négyszeres SPI flash interfész, CAN Bus, grafikus LCD és akár 11 FlexComm-hoz való csatorna segítségével a mikrokontrollerek módosíthatók a követelményeknek megfelelően. A sorozaton belüli kompatibilitás zökkenőmentes migrációs lehetőséget biztosít az egyre nagyobb feldolgozási kapacitás, illetve további perifériák hozzáadása érdekében. A TFBGA180, TFBGA100, LQFP208 és LQFP100 tokozással elérhető eszközök akár 360 KB SRAM-mal, négyszeres SPI flash interfésszel, Ethernet csatlakozási támogatással, egy TFT LCD-vezérlővel és két CAN FD modullal is rendelkeznek. Ezek impozáns egyensúlyt érnek el a funkciók integrálása és az energiafelhasználás hatékonysága között, aktív üzemmódban 100 µA/MHz árammal működnek.
A Renesas Synergy S3A1 MCU egységeinek mindegyike 48 MHz-es, 32 bites ARM Cortex-M4 CPU maggal, lebegőpontos egységgel (floating point unit, FPU) rendelkezik, továbbá analóg és biztonsági funkciók sokaságával. Ezeket az MCU-kat ellátták 1 MB flashmemóriával a kód számára, 8 kB flashmemóriával az adatok számára és 192 kB SRAM-mal. A jellemzők, lábkiosztás és IP tekintetében kompatibilisek a többi Synergy MCU csoporttal, magasabb fokú méretezhetőséget és kód-újrafelhasználást kínálnak a hardver/szoftver fejlesztési folyamat felgyorsítása érdekében. A monitorozási alkalmazásokhoz tervezett (pl. kültéri meteorológiai) állomások a jellemzők folyamatos frissítését igényelhetik több szolgáltatás esetén – ezek az MCU-k különböző memóriasűrűséggel és tokozással kaphatók.
Az STMicroelectronics STM32L4 MCU+FPU-családjának tagjai rendkívül alacsony áramfogyasztású, ARM Cortex-M4 32 bites RISC maggal rendelkező eszközök. Az akár 80 MHz frekvenciával működő magok jellemzője az egyszeres pontosságú FPU formátum, amely támogatja az összes ARM egyszeres pontosságú adatfeldolgozási utasítást és adattípust. Jelfeldolgozó utasítások teljes készletével egészülnek ki, emellett egy memóriavédő egységgel is, amely fokozza az alkalmazás biztonságát. Ez a termékcsalád új, rendkívül alacsony áramfogyasztású platformra épül, amelyhez FlexPowerControl tartozik. Optimalizált áramfogyasztási szintjeinek köszönhetően 150 ULPBench-CP eredményt ér el az EEMBC ULPBench besorolása szerint. Az alkotórészként felhasznált MCU-k akár 2 MB flash (dual bank) -memóriát és 640 kB SRAM-ot, valamint 80 MHz mellett a vállalat saját ART Accelerator eszközének köszönhetően 100 DMIPS/273 mag pontszámot nyújtanak. Az egész rendszer teljesítményét multi-AHB busz mátrix és DMA-vezérlők segítségével optimalizálják. Az STM32L4 felhasználható a jelenlegi, STM32F4-re alapozott konfigurációk lecserélésére az alacsony áramfelhasználási funkció érdekében. Lábkompatibilitás miatt nincs szükség az áramkör elrendezésének módosítására.

3. ábra Az STMicroelectronics STM32L4 mikrokontrollerje

MCU-k kisebb tokozati formában

A Cypress Semiconductor PSoC 6 MCU-ja „minden az egyben” eszköz, kiemelkedő teljesítményű feldolgozást és fontos biztonsági jellemzőket nyújt, amelyeket célirányosan az IoT-applikációkhoz készítettek. Alacsony áramfogyasztású, 40 nm-es gyártástechnológián alapul, és kettősmag-architektúrát alkalmaz – egy ARM Cortex‑M4 páros gondoskodik a kiugró teljesítményt igénylő tevékenységekről, amelyeket egy ARM Cortex‑M0+ egészít ki, hogy végrehajtsa a korlátozott erőforrással bíró feladatokat. Az aktív áramfogyasztás egészen 22 μA/MHz értékig süllyed az M4 mag és mindössze 15 μA/MHz az M0+ mag esetében. Az MCU kiemelkedően rugalmas architektúrája lehetővé teszi funkciók hozzáadását, például USB, Bluetooth Low Energy (BLE) és számos egyéb, szoftver által meghatározott perifériát, hogy szabványos analóg előtér-kiszolgálókat (analogue front end, AFEs) és digitális interfész-áramköröket hozzon létre, amelyek képesek csatlakozni az olyan IoT-tervekhez, amelyeknél több csatlakozási protokollt kell érvényesíteni. Továbbá iparági szabványnak minősülő, szimmetrikus titkosítású és nyilvános kulcsú titkosítási algoritmusok találhatók még az eszközön – többek között az ECC és az AES titkosítás, plusz biztonságos kivonatoló algoritmusok (SHA 1, 2, 3).
A Microchip SAM R34LoRa GHz alatti „rendszer egyetlen tokban” (system-in-package, SIP) termékcsaládja magában foglal egy csekély áramfogyasztású, kiváló teljesítményű, 32 bites MCU-t, egy LoRa-adóvevőt és egy úgynevezett software stacket, amelyek jelentős mértékben lerövidítik a piacra jutási időt az IoT-tervezésnél. Ezek az eszközök tanúsított referenciakialakításokkal és igazolt együttműködési képességgel rendelkeznek a legfontosabb LoRaWAN átjáró- és hálózatszolgáltatókkal.
A Nordic Semiconductor nRF52840 több protokollos SoC-je egy kifejezetten alacsony áramfogyasztású, rendkívül rugalmas egy chipen elhelyezett megoldás, amely alkalmas a rövid hatótávolságú vezeték nélküli alkalmazásokhoz. A beágyazott 2,4 GHz-es adóvevő támogatja a Bluetooth 5/BLE, a 802.15.4/Thread, az ANT/ANT+ és a saját 2,4 GHz-es protokollokat. Ez on-air kompatibilis a vállalat meglévő nRF52, nRF51 és nRF24 sorozataival. Az eszköz dinamikus, több protokollos jellemzője lehetővé teszi az egyidejű Bluetooth 5 és Thread vezeték nélküli csatlakoztathatóságot, és gondoskodik róla, hogy a rádió hardverjének üzemideje elosztásra kerüljön ezek között a protokollok között, ezáltal egyszerre mind a kettő csatlakoztatható. Ezt a SoC (system on chip, SoC) rendszert egy 32 bites, 64 MHz-es ARM Cortex-M4F CPU köré építették, 1 MB flashmemóriával és 256 kB RAM-mal a chipen. Ez a CPU-konfiguráció támogatja a jelfeldolgozó utasításokat, a hardverrel gyorsított lebegőpontos számításokat, az egyciklusos szorzást és összesítést és az összetett műveletek energiahatékony feldolgozása érdekében a hardver erőforrásainak megosztását. Energia- és erőforrás-kezelést biztosít az akkumulátor élettartamának maximalizálása érdekében. Az 1,7 és 5,5 V közötti feszültségtartomány támogatja az elsődleges és másodlagos cellás akkumulátortechnológiákat, valamint a közvetlen USB-ellátást külső szabályozók használata nélkül. Ez az eszköz automatizált és adaptív energiakezelési jellemzők tárházával bír, amelyek a működés összes aspektusába beépítésre kerültek – a tápellátás perifériás buszra kapcsolásától / EasyDMA memóriakezeléstől kezdve – az összes periféria automatizált leállításáig, kivéve a feladat elvégzéséhez feltétlenül szükségeseket.
A létesített IoT-csomópontoknak a következő években várható drámaian megnövekedő száma miatt egyre inkább létfontosságúvá válik valamennyi szoftver és hardver megfelelő üzemeltetése. A cikkben bemutatott MCU eszközök azt sugallják, hogy a tervezőmérnökök hozzáférnek az innovatív félvezető technológiához, amellyel az ilyen erőfeszítések elvégezhetők.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics

Mouser Electronics
Franchised Distributor
www.mouser.com