Hur man snabbt skapar IoT-slutpunkter som styrs från ett AWS-moln

Slutpunkter i form av IoT-givare installeras alltmer för att övervaka kommersiella och industriella processer och system samt för att lägga till artificiell intelligens (AI) och tekniker för maskininlärning (ML) där detta är lämpligt. Särskilt inom industriell IoT (IIoT) analyseras givarens information för att öka effektivitet, minska energiförbrukning, spåra systemets övergripande prestanda, garantera arbetares säkerhet, upprätthålla säkerhetsfunktioner och minska stilleståndstiden genom förebyggande underhåll.

Även om tekniken används alltmer, kan det för konstruktörer som är nya inom IoT och molnstyrning vara en brant inlärningskurva att lära sig de centrala koncepten för installation av givare, driftsättning, molntjänster och anslutningsmöjligheter, vilket gör att de blir osäkra på var de ska börja. Detta kan påverka utvecklingstiden och öka den totala kostnaden för implementering.

För att minska inlärningskurvan blir nyckelfärdiga lösningar alltmer tillgängliga för att förenkla IoT-anslutning och molnbaserad analys och presentation på instrumentpaneler.

Artikeln diskuterar kortfattat övergången till IoT-anslutning och molntjänster såsom Amazon Web Services (AWS). Därefter presenteras ett utvecklingskort för IoT-givare avsedda för AWS från Microchip Technology som förklarar hur utvecklare kan använda det för att enkelt få igång en AWS-ansluten givarnod med WiFi och samtidigt lära sig grundläggande koncept inom IoT- och molnstyrning. Därefter diskuteras hur ett tilläggskort från MikroElektronika snabbt kan anslutas till kortet från Microchip för att skapa ett givarkort för 3D-rörelser som styrs och övervakas via AWS.

IoT-systemens växande roll

Nätverken för IoT och IIoT expanderar till nya områden. Den vanligaste tillämpningen för nya IIoT-nätverk är att förbättra produktiviteten genom att öka effektiviteten, samtidigt som säkerheten bibehålls och förbättras. Processövervakning sker främst genom att installera givare som övervakar industriella processer och industriell miljö, inklusive temperatur, fuktighet och tryck. Information om rörelse såsom acceleration, stabilitet och stötar kan också övervakas, tillsammans med enkel analog information och omkopplares positioner. Positionen för robotar, arbetare eller tillgångar kan fastställas med hjälp av GPS, RFID-taggar eller olika algoritmer för trådlös triangulering.

Den insamlade informationen från givarna måste analyseras för att inte bara förbättra effektiviteten utan även säkerställa optimal systemprestanda. Ett enkelt sätt att övervaka och styra dessa olika givare är att ansluta dem till en befintlig molnserver. Detta sparar tid och möda för att bygga en anpassad webbapplikation med lämplig säkerhet.

Men för vissa organisationer som är nya inom IoT och molnstyrning kan det vara en brant inlärningskurva att lära sig dessa koncept, och därför kan anläggningsansvariga och deras tekniker vara osäkra på var de ska börja. Detta kan leda till kostsamma förseningar i implementeringen av IIoT-slutpunkterna.

Paket för att konstruktörer snabbt ska komma igång med IoT och IIoT

För att komma igång med IoT-nätverk och molntjänster har Microchip Technology introducerat IoT-utvecklingskortet EV15R70A med WiFi och stöd för AWS (figur 1). Kortet är en helt nyckelfärdig lösning för IoT- och AWS-anslutning och kan användas som en hubb för att samla in information från givare på fältet och skicka denna information till AWS för analys och presentation i ett enkelt webbläsarbaserat gränssnitt. Även om kortet är litet är det kraftfullt och har många alternativ för säkra IoT-slutpunkter.

Figur 1: IoT-utvecklingskortet EV15R70A med WiFi från Microchip är en nyckelfärdig lösning för att ansluta givare med WiFi till AWS för analys, presentation, övervakning och kontroll. (Bildkälla: Microchip Technology)

EV15R70A styrs av en ATMEGA4808-MFR-mikrokontroller från Microchip Technology på 20 MHz med 48 Kb flash-minne och 6 Kb SRAM. Det är tillräckligt med minne för att köra en enkel IoT-givarnod, med minne över för ytterligare programkod för att styra externa enheter med hjälp av någon av de 18 portstift som visas (Pxx, bruna etiketter). Kretsen har även ett EEPROM på 256 byte för lagring av kalibreringskonstanter, säkerhetsinformation, data om WiFi-anslutningen och givarens information. ATMEGA4808-MFR har en kraftfull 8-bitars megaAVR-kärna som enkelt kan hantera dataöverföringar för IIoT samtidigt som den har en väldigt låg strömförbrukning. Strömförbrukningen minskas ytterligare genom användning av en hårdvarumultiplikator med två cykler som minskar antalet CPU-cykler.

För WiFi-anslutning, ansluter ATMEGA4808 via SPI till en ATWINC1510-MR210PB1952 WiFi-modul med stöd för 802.11b/g/n från Microchip Technology (figur 2). Den innehåller WEP-, WPA- och WPA2-säkerhet och har stöd för krypterade TLS-anslutningar (Transport Layer Security). I modulens artikelnummer står ”1952” för firmwareversionen på ATWINC1510, så senare kort kan ha moduler med senare versioner av firmware.

Figur 2: WiFi-modulen ATWINC1510-MR210PB med 802.11b/g/n från Microchip Technology har stöd för WEP-, WPA- och WPA2-säkerhet via TLS. Den ansluter till en värdmikrokontroller via en SPI-serieport. (Bildkälla: Microchip Technology)

ATWINC1510-MR210PB har en inbyggd antenn på kretskortet, A1 i figur 2. Det medför att utvecklingskortet EV15R70A är redo att användas direkt ur lådan för att hjälpa utvecklare som inte är bekanta med RF- och antennlayout att komma igång snabbare. Om ytterligare WiFi-räckvidd behövs kan en extern antenn anslutas.

ATWINC1510-MR210PB behöver en matningsspänning på 2,7-3,6 V och den drar endast 0,38 mA i viloläge när den inte sänder eller tar emot. När radion är aktiv förbrukar modulen 269 mA (maximalt) vid sändning och 61 mA vid mottagning. För en IoT-slutpunkt är detta tillräckligt lågt för att förlänga batteritiden. Modulen har lämpliga certifieringar för användning i Nord- och Sydamerika, Europa och Asien, vilket underlättar processen att få godkännande från myndigheter för slutkonstruktioner som innehåller EV15R70A.

Kryptering av information i IIoT-nätverk

Säker internettrafik idag är vanligtvis krypterad med TLS för att förhindra att fientliga operatörer kan förstå den insamlade datatrafiken. En ”man in the middle”-attack kan dock fortfarande använda sofistikerade metoder för att fånga upp och avlyssna information genom att söka efter brister i anslutningen. För att göra IoT-kommunikationen ännu säkrare, bör nätverksinformationen krypteras.

För att kryptera information som överförs mellan utvecklingskortet och AWS innehåller EV15R70A en ATECC608A-MAHCZ-T från Microchip Technology som är en krets för Security CryptoAuthentication. ATECC608A ansluter till ATMEGA4808 via ett I²C-gränssnitt och krypterar och dekrypterar WiFi-givarens information. ATECC608A har stöd för många krypteringsstandarder, inklusive AES-128 och SHA-256. Den används även för att lagra de offentliga och privata krypteringsnycklar som används vid kommunikationen med AWS.

Varje ATECC608A på respektive EV15R70A-utvecklingskort är förprogrammerad med en uppsättning unika offentliga och privata nycklar för att kryptera och dekryptera information. Detaljerade uppgifter om beteendet vid kryptering och dekryptering hos ATECC608A är endast tillgängligt från Microchip Technology via ett sekretessavtal. Men, med den flash-firmware för ATMEGA4808 som medföljer paketet kan utvecklare enkelt kryptera och dekryptera information mellan utvecklingskortet och AWS, med få förkunskaper om krypteringsprotokoll. Detta underlättar driften av IoT-slutpunkten avsevärt för utvecklare som är nybörjare inom kryptering.

För IoT-slutpunkter som måste skyddas inte bara mot nätverksattacker utan även mot intensiva fysiska attacker har enheten ATECC608A inbyggda säkerhetsfunktioner som skyddar mot fysiska intrång. Exempelvis:

• Den kan upptäcka fysiska attacker som t.ex. avskalning av kretsens kapsling i ett försök att elektroniskt undersöka dess interna tillstånd.
• Den kan upptäcka attacker på sidokanaler, t.ex. genom att sänka ner enheten i extrem kyla i ett försök att bevara minnesinnehållet.
• Den kan upptäcka ovanlig I²C-aktivitet, t.ex. mycket snabba eller mycket långsamma klockfrekvenser, samt icke-standardiserade klockvågformer.
• Innehållet i det interna minnet är krypterat.
• De interna kretsarna kan innehålla falska kretsar för att undvika omvänd ingenjörskonst.

Anslutning av EV15R70A till AWS

Firmware i EV15R70A gör det möjligt för utvecklingskortet att ansluta till AWS via en säker WiFi-anslutning. När en anslutning till AWS har upprättats kan kortet snabbt övervakas, konfigureras och styras med hjälp av en webbläsare som är ansluten till lämpligt AWS-konto.

För att börja använda utvecklingskortet med AWS måste utvecklaren först ansluta kortet till en dator med en USB-kabel. Datorn kommer att se kortet som ett USB-minne med namnet CURIOSITY. Utvecklaren kan sedan bläddra i kortet på samma sätt som i en typisk flashminnesenhet. I roten finns en fil som heter CLICK-ME.HTM. Om du klickar på filen öppnas enhetens startsida i datorns standardwebbläsare (figur 3).

Figur 3: EV15R70A ansluts till en dator via en USB-kabel och ser ut som en USB-flashminnesenhet. Om du klickar på filen CLICK-ME.HTM öppnas en webbsida i standardwebbläsaren som presenterar kortet för användaren och talar om att kortets firmware behöver uppdateras. (Bildkälla: Microchip Technology)

På den första skärmen introduceras utvecklaren för kortet och bör se till att kortet använder den senaste versionen av firmware. Om du klickar på ”Get the Latest Firmware” (hämta senaste firmware) kan du lösa detta. Därefter måste utvecklaren bläddra nedåt på webbsidan till en rutin som instruerar utvecklaren om hur man konfigurerar kortet för att ansluta automatiskt till ett lokalt WiFi-nätverk. När konfigurationen och anslutningen är klar, tänds den blå lysdioden för WiFi-status. När du är ansluten till ett AWS-konto tänds den gröna lysdioden för anslutningsstatus. Detta ger en visuell indikering av kortets status och underlättar felsökning av anslutningsproblem.

När en säker anslutning har upprättats till AWS och ett molnprogram används kommer den gula lysdioden för dataöverföring att blinka varje gång information skickas mellan kortet och AWS. Kortet innehåller givare för ljus och temperatur som regelbundet samplas av ATMEGA4808. Den insamlade informationen skickas till AWS för visning online.

För en mer avancerad tillämpning kan utvecklaren skriva firmware för att interagera med alla GPIO-stift och all kringutrustning. Porten för pulsbreddsmodulering (PWM) kan ställas in för att generera en vågform som kan driva en motor eller ett ställdon, och SPI- och UART-portarna kan programmeras för att interagera med externa enheter. Alla dessa interaktioner kan övervakas och styras från en webbläsare som är ansluten till motsvarande AWS-konto.

EV15R70A har kontaktdon som är kompatibla med tilläggskort för mikroBUS Click som också kan styras och övervakas av AWS. MIKROE-1877 från MikroElektronika är exempelvis ett fusionskort för 3D-rörelsegivare med en accelerometer med tre axlar, ett gyroskop och en magnetometer (figur 4). En inbyggd hjälpprocessor för rörelse övervakar de tre givarna och skickar tillbaka information till EV45R70A via I²C-gränssnittet mikroBUS Click.

Figur 4: kortet MIKROE-1877 från MikroElektronika är ett givarkort för 3D-rörelse. Det innehåller en accelerometer med tre axlar, ett gyroskop, en magnetometer och en hjälpprocessor för givarfusioner som ansluts till kortet EV45R70A via standardgränssnittet mikroBUS Click. (Bildkälla: MikroElektronika)

Med givarkortet MIKROE-1877 för 3D-rörelse anslutet till EV45R70A kan en utvecklare skriva firmware för att övervaka och lagra information från den. Ett AWS-program kan konfigureras för att övervaka kortet och logga information. När EV45R70A drivs med batteri kan den tillsammans med MIKROE-1877 användas för att övervaka beteendet hos en robot, en garageport eller ett fordon, och informationen kan visas i alla kompatibla webbläsare.

Slutsats

Att komma igång med slutpunkter för IoT eller IIoT med molnstyrning kan innebära en brant inlärningskurva för utvecklare som inte är bekanta med koncepten och nyanserna inom kritiska områden som säkerhet. Ofta är det bästa sättet att förstå den här tekniken att lära sig under tiden med hjälp av hårdvara som är utformad för just detta. Med AWS-utvecklingskortet EV45R709A från Microchip Technology kan utvecklare snabbt lära sig de grundläggande koncepten IoT, molnlagring och molnstyrning, samtidigt som de bygger en användbar och säker enhet för fjärrövervakning.