Cum să creați rapid puncte finale IoT controlate în cloud AWS

Punctele finale ale senzorilor Internet of Things (IoT) sunt implementate rapid pentru a monitoriza procesele și sistemele comerciale și industriale și pentru a adăuga tehnici de inteligență artificială (AI) și de învățare automatizată (ML), acolo unde este cazul. În special în IoT industrial (IIoT), datele senzorilor sunt analizate pentru a crește eficiența, a reduce consumul de energie, a urmări performanța generală a sistemului, a garanta siguranța lucrătorilor, a menține funcțiile de securitate și a reduce timpii de nefuncționare prin intermediul întreținerii predictive.

În timp ce tehnologia este din ce în ce mai utilizată, pentru proiectanții noi în domeniul IoT și al controlului în cloud, învățarea conceptelor de bază privind implementarea senzorilor, punerea în funcțiune și serviciile și conectivitatea în cloud poate reprezenta o curbă de învățare abruptă, ei nefiind siguri de unde să înceapă. Acest lucru poate afecta timpul de dezvoltare și poate crește costul total al implementării.

Pentru a reduce curba de învățare, soluțiile la cheie devin din ce în ce mai disponibile, pentru a simplifica conectivitatea IoT și analiza pe bază de cloud și prezentarea tabloului de bord.

Acest articol va discuta pe scurt despre trecerea la conectivitatea IoT și la serviciile cloud, cum ar fi Amazon Web Services (AWS). Apoi va prezenta o placă de dezvoltare a senzorilor AWS IoT de la Microchip Technology și va explica modul în care dezvoltatorii o pot utiliza pentru a obține cu ușurință un nod de senzori activat prin Wi-Fi și conectat la AWS, învățând în același timp conceptele de bază ale IoT și ale controlului în cloud. În continuare se va discuta despre modul în care o placă secundară de la MikroElektronika se poate conecta rapid la placa Microchip pentru a forma o placă cu senzori de mișcare 3D care este controlată și monitorizată prin AWS.

Rolul tot mai mare al sistemelor IoT

Rețelele IoT și IIoT se extind în noi domenii. Cea mai comună aplicație pentru noile rețele IIoT este îmbunătățirea productivității prin creșterea eficienței, în același timp menținând și îmbunătățind siguranța și securitatea. Monitorizarea proceselor se realizează în principal prin instalarea de senzori care monitorizează procesele industriale și mediul înconjurător, inclusiv temperatura, umiditatea și presiunea. De asemenea, pot fi monitorizate datele de mișcare, cum ar fi accelerația, stabilitatea și șocul, precum și datele analogice simple și pozițiile comutatoarelor. Poziția roboților, a lucrătorilor sau a bunurilor poate fi stabilită cu ajutorul GPS, al etichetelor RFID sau al diferiților algoritmi de triangulație wireless.

Datele colectate de la senzori trebuie analizate nu numai pentru a îmbunătăți eficiența, ci și pentru a asigura performanța optimă a sistemului. O modalitate simplă de a monitoriza și a controla acești senzori diferiți este de a-i conecta la un server cloud existent. Acest lucru economisește timpul și reduce efortul de creare a unei aplicații web personalizate cu securitate adecvată.

Cu toate acestea, pentru unele organizații noi în domeniul IoT și controlul în cloud, învățarea acestor concepte poate reprezenta o curbă de învățare abruptă, astfel că managerii de instalații și inginerii lor pot fi nesiguri de unde să înceapă. Acest lucru poate duce la întârzieri costisitoare legate de implementarea acestor puncte finale IIoT.

Kitul permite proiectanților să înceapă rapid utilizarea IoT și IIoT

Pentru a începe utilizarea rețelelor IoT și cloud computing, Microchip Technology a introdus placa de dezvoltare IoT Wi-Fi EV15R70A cu compatibilitate pentru AWS (Figura 1). Fiind o soluție completă la cheie pentru conectivitatea IoT și AWS, placa poate fi utilizată ca un hub pentru a colecta date de la senzori pe teren și a trimite aceste date către AWS pentru a fi analizate și prezentate pe o interfață simplă bazată pe browser. Deși este mică, placa este puternică și dispune de multe opțiuni pentru punctele finale IoT securizate.

Figura 1: placa de dezvoltare Microchip EV15R70A IoT Wi-Fi este o soluție la cheie pentru conectarea senzorilor cu Wi-Fi la AWS pentru analiză, prezentare, monitorizare și control. (Sursă imagine: Microchip Technology)

EV15R70A este controlat de un microcontroler Microchip Technology ATMEGA4808-MFR de 20 megahertzi (MHz) cu 48 de kiloocteți (Kbytes) de memorie flash și 6 Kbytes de SRAM. Această memorie este suficientă pentru a rula un nod simplu de senzori IoT, rămânând memorie pentru codul de aplicație suplimentar pentru controlul dispozitivelor externe, utilizând oricare dintre cei 18 pini de port prezentați (Pxx, etichete maro). Există 256 de octeți de EEPROM integrat pentru stocarea constantelor de calibrare, a informațiilor de securitate, a datelor de conectivitate Wi-Fi și a datelor senzorilor. ATMEGA4808-MFR are un nucleu megaAVR puternic pe 8 biți care poate gestiona cu ușurință transferurile de date IIoT, consumând foarte puțină energie. Consumul de energie este redus și mai mult prin utilizarea unui multiplicator hardware cu două cicluri care reduce ciclurile CPU.

Pentru conectivitatea Wi-Fi, ATMEGA4808 se conectează prin SPI la un modul Wi-Fi ATWINC1510-MR210PBPB1952 802.11b/g/n de la Microchip Technology (Figura 2). Acesta include securitatea WEP, WPA și WPA2 și acceptă conexiuni criptate de securitate a stratului de transport (TLS). În numărul de referință al modulului, „1952” reprezintă versiunea de firmware de pe ATWINC1510, astfel că plăcile ulterioare pot avea module cu versiuni de firmware mai noi.

Figura 2: modulul Wi-Fi Microchip Technology ATWINC1510-MR210PB 802.11b/g/n acceptă securitate WEP, WPA și WPA2 prin TLS. Acesta se conectează la un microcontroler gazdă folosind un port serial SPI. (Sursă imagine: Microchip Technology)

ATWINC1510-MR210PB dispune de o antenă integrată pe placa de circuite imprimate, A1 în Figura 2. Acest lucru face ca placa de dezvoltare EV15R70A să fie gata de utilizare imediat ce este scoasă din cutie, ajutând dezvoltatorii care nu sunt familiarizați cu configurația RF și a antenelor să înceapă mai repede utlizarea acesteia. Dacă este necesară o rază de acțiune Wi-Fi suplimentară, se poate conecta o antenă externă.

ATWINC1510-MR210PB necesită o sursă de alimentare de 2,7 - 3,6 volți și consumă doar 0,380 miliamperi (mA) în modul Inactiv atunci când nu transmite sau recepționează. Atunci când radioul este operațional, modulul consumă 269 mA (maxim) la transmisie și 61 mA la recepție. Pentru un punct final IoT, această valoare este suficient de mică pentru a ajuta la prelungirea funcționării bateriei. Modulul dispune de certificări corespunzătoare pentru utilizarea în America, Europa și Asia, simplificând procesul de obținere a aprobării de reglementare pentru proiectele finale care încorporează EV15R70A.

Criptarea datelor în rețelele IIoT

În prezent, traficul securizat pe internet este, de obicei, criptat cu ajutorul TLS pentru ca operatorii ostili să nu înțeleagă niciun fel de trafic de date capturat. Cu toate acestea, un atac de tip „man in the middle” încă poate folosi metode sofisticate pentru a intercepta și a captura date prin căutarea defectelor în conexiune. Pentru a securiza și mai mult comunicațiile IoT, datele din rețea ar trebui să fie criptate.

Pentru a cripta datele transmise între placa de dezvoltare și AWS, EV15R70A include un cip Security CryptoAuthentication ATECC608A-MAHCZ-T de la Microchip Technology. ATECC608A se conectează cu ATMEGA4808 printr-o interfață I²C și criptează și decriptează datele senzorilor Wi-Fi. ATECC608A acceptă numeroase standarde de criptare, inclusiv AES-128 și SHA-256. De asemenea, este utilizat pentru stocarea cheilor de criptare publică și privată utilizate pentru comunicarea cu AWS.

Fiecare ATECC608A din fiecare placă de dezvoltare EV15R70A este preprogramat cu un set de chei publice și private unice pentru criptarea și decriptarea datelor. Operarea detaliată a comportamentului de criptare și decriptare ATECC608A este disponibilă de la Microchip Technology numai în baza unui acord de confidențialitate. Cu toate acestea, firmware-ul flash ATMEGA4808 inclus în kit permite dezvoltatorilor să cripteze și să decripteze cu ușurință datele între placa de dezvoltare și AWS, cu câteva cunoștințe prealabile despre protocoalele de criptare. Acest lucru simplifică foarte mult operarea punctului final IoT pentru dezvoltatorii care nu au experiență în domeniul criptării.

Pentru punctele finale IoT care trebuie să fie consolidate nu doar împotriva atacurilor de rețea, ci și împotriva atacurilor fizice intense, dispozitivul ATECC608A are caracteristici de securitate încorporate pentru a proteja împotriva intruziunilor fizice. De exemplu:

• Poate detecta atacurile fizice, cum ar fi deschiderea dispozitivului în încercarea de a testa electronic starea sa internă.
• Poate detecta atacurile prin canale secundare, cum ar fi scufundarea dispozitivului în temperaturi extrem de scăzute în încercarea de a păstra conținutul memoriei.
• Poate detecta activități I²C neobișnuite, cum ar fi viteze de tact foarte rapide sau foarte lente, precum și forme de undă de tact nestandardizate.
• Conținutul memoriei interne este criptat.
• Circuitele interne pot conține circuite false pentru a preveni ingineria inversă.

Conectarea EV15R70A la AWS

Firmware-ul EV15R70A permite conectarea plăcii de dezvoltare la AWS printr-o conexiune Wi-Fi securizată. Odată stabilită o conexiune la AWS, placa poate fi monitorizată, configurată și controlată rapid cu ajutorul oricărui browser web conectat la contul AWS corespunzător.

Pentru a începe utilizarea plăcii de dezvoltare cu AWS, dezvoltatorul trebuie mai întâi să conecteze placa la un computer cu ajutorul unui cablu USB. Computerul o va vedea ca pe o unitate de memorie flash USB numită CURIOSITY. Dezvoltatorul poate apoi să navigheze prin placă așa cum ar face-o cu un dispozitiv tipic de memorie flash. În rădăcină se află un fișier denumit CLICK-ME.HTM. Dacă faceți clic pe acest fișier, se deschide pagina de pornire a dispozitivului în browserul web implicit al computerului (Figura 3).

Figura 3: EV15R70A se conectează la un computer prin intermediul unui cablu USB și apare ca un dispozitiv de memorie flash USB. Dacă faceți clic pe fișierul CLICK-ME.HTM, se afișează o pagină web în browserul web implicit care prezintă utilizatorului placa și solicită actualizarea firmware-ului plăcii. (Sursă imagine: Microchip Technology)

Dezvoltatorul vede placa pe ecranul inițial și trebuie să se asigure că aceasta rulează cel mai recent firmware. Faceți clic pe „Obțineți cea mai recentă versiune de firmware” pentru a face acest lucru. În continuare, dezvoltatorul trebuie să parcurgă pagina web până la o procedură care îl instruiește cum să configureze placa pentru a se conecta automat la o rețea Wi-Fi locală. După configurarea și conectarea cu succes, ledul albastru de stare Wi-Fi se va aprinde. La conectarea la un cont AWS, ledul verde de stare a conexiunii se va aprinde. Acest lucru oferă o indicație vizuală a stării plăcii și ajută la depanarea problemelor de conexiune.

Odată ce s-a stabilit o conexiune securizată cu AWS și când o aplicație cloud este în funcțiune, ledul galben Transfer de date se va aprinde intermitent de fiecare dată când se transmit date între placă și AWS. Placa are senzori de lumină și temperatură care sunt eșantionați periodic de ATMEGA4808. Datele preluate sunt trimise la AWS pentru a fi vizualizate online.

Pentru o aplicație mai avansată, dezvoltatorul poate scrie firmware pentru a interacționa cu oricare dintre pinii GPIO și perifericele. Portul pentru modulația impulsului în lățime (PWM) poate fi setat pentru a genera o formă de undă pentru acționarea unui motor sau a unui dispozitiv de acționare, iar SPI și UART pot fi programate pentru a interacționa cu dispozitivele externe. Oricare dintre aceste interacțiuni poate fi monitorizată și controlată dintr-un browser web conectat la contul AWS corespunzător.

EV15R70A are conectori cu baretă care sunt compatibili cu plăcile secundare mikroBUS Click și care pot fi controlați și monitorizați de AWS. De exemplu, MikroElektronika MIKROE-1877 este o placă de fuziune a senzorilor de mișcare 3D cu un accelerometru pe trei axe, un giroscop și un magnetometru (Figura 4). Un coprocesor de mișcare integrat monitorizează cei trei senzori și trimite datele înapoi la EV45R70A prin interfața mikroBUS Click I²C.

Figura 4: MikroElektronika MIKROE-1877 este o placă cu senzori de mișcare 3D. Acesta are un accelerometru cu trei axe, un giroscop, un magnetometru și un coprocesor de fuziune a senzorilor care se conectează la placa EV45R70A printr-o interfață mikroBUS Click standard. (Sursă imagine: MikroElektronika)

Când placa cu senzori de mișcare 3D MIKROE-1877 este conectată la EV45R70A, un dezvoltator poate scrie un firmware pentru a monitoriza și stoca date de la aceasta. O aplicație AWS poate fi configurată pentru a monitoriza placa și a înregistra datele. Atunci când este alimentat cu baterii, EV45R70A cu MIKROE-1877 poate fi utilizat pentru a monitoriza comportamentul unui robot, al unei uși de garaj sau al unui vehicul, iar datele pot fi vizualizate din orice browser web compatibil.

Concluzie

Începerea utilizării punctelor finale IoT sau IIoT cu control în cloud poate avea o curbă de învățare abruptă pentru dezvoltatorii care nu sunt familiarizați cu conceptele și nuanțele din domenii critice, precum securitatea. Adesea, cel mai bun mod de a înțelege aceste tehnologii este învățarea pe parcurs, folosind hardware conceput special pentru acest lucru. Cu ajutorul plăcii de dezvoltare AWS EV45R709A de la Microchip Technology, dezvoltatorii pot învăța rapid conceptele de bază ale IoT, ale stocării în cloud și ale controlului în cloud, construind în același timp un dispozitiv util și sigur pentru monitorizarea de la distanță.