Geringer Stromverbrauch, Kommunikation und Sicherheit in Designs für das Industrielle Internet der Dinge (IIoT)

Stromverbrauch und Sicherheit sind die beiden wichtigsten Aspekte für Entwickler von Embedded-Systemen, insbesondere bei Befehls- und Steueranwendungen für IoT-Sensoren.

Bei Designs für das industrielle IoT ist es wichtig, dass ein Mikrocontroller nicht nur einen möglichst geringen Durchschnittsverbrauch hat, sondern auch über Merkmale verfügt, die einen minimalen Stromverbrauch im Design insgesamt ermöglichen.

Für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und nur aus Batterien gespeiste Anwendungen ermöglicht die in der Mikrocontroller-Familie PIC24F eingesetzte eXtreme Low-Power-(XLP)-Technologie von Microchip eine elementare Befehls- und Steuerkommunikation für IoT-Sensoren über eine Bluetooth^® LE (BLE)-Verbindung und vermehrte Sicherheit durch eine integrierte Hardware-Verschlüsselungsengine.

Extrem geringe Leistungsaufnahme

Da immer mehr elektronische Anwendungen auf einen geringen Stromverbrauch oder Batterien angewiesen sind, werden Energieeinsparungen immer wichtiger. Die heutigen Anwendungen müssen eine wenig Strom verbrauchen und, in Extremfällen, bis zu 20 Jahre und mehr mit einer einzigen Batterie auskommen. Damit solche Anwendungen möglich werden, bieten Produkte mit der eXtreme Low-Power-(XLP)-Technologie von Microchip sehr niedrige Ruheströme – im Ruhemodus befinden sich Anwendungen mit extrem geringer Leistungsaufnahme während 90 bis 99 % ihrer Lebensdauer. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, ermöglicht die 16-Bit XLP-Technologie Ruheströme bis hinunter zu 40 nA und Arbeitsströme bis hinunter zu 180 μA/MHz.

Abbildung 1: Stromverbrauch des PIC24FJ128GB204 in verschiedenen Ruhemodi

Ein gutes Beispiel für diese Art von Komponenten mit extrem geringer Leistungsaufnahme ist der Mikrocontroller PIC24FJ128GB204 von Microchip. Er verfügt über mehrere Energiemanagement-Lösungen für eine extreme Reduzierung des Stromverbrauchs sowie flexible Reaktivierungsoptionen wie z. B. Tiefschlaf, sodass ein fast vollständiges Abschalten mit Reaktivierung durch interne oder externe Auslöser möglich ist – z. B. wenn ein Umgebungssensor asynchrone/periodische Messungen durchführen muss. Im Ruhe- und Leerlaufmodus werden Peripheriekomponenten und/oder der Kern selektiv abgeschaltet, um die Leistungsaufnahme massiv zu reduzieren und ein schnelles Wiedereinschalten der kritischeren Anwendungs-Interrupts, beispielsweise eines Bewegungsmelders in einer Überwachungskamera, zu gewährleisten. Der Schlummermodus „Doze“ lässt die CPU mit einer geringeren Taktrate als die Peripheriekomponenten laufen, und ein ACM-Modus (Alternate Clock Mode) ermöglicht ein On-the-Fly-Schalten auf niedrigere Taktfrequenzen für eine selektive Reduzierung des Stromverbrauchs. Ein weiterer neuer Ruhemodus ist „Low-Voltage Retention Sleep“; dabei werden unverzichtbare Schaltkreise von einem separaten Niederspannungsregler versorgt. Ein Vbat-Pin ermöglicht der Komponente, zu einer Reservebatterie überzugehen, um den niedrigsten Stromverbrauch für Echtzeituhr/-kalender zu erhalten.

Ein Mikrocontroller, der einen extrem niedrigen Stromverbrauch mit vielen flexiblen Ruhe- und Wachmodi hat, ist in Anwendungen mit geringem Stromverbrauch unverzichtbar. Ein geringer Stromverbrauch ist auch bei allen Systemfunktionen wie z. B. Kommunikation sehr wichtig.

Energiesparende Kommunikation

Beim Erfassen von Daten und Ausführen von Code müssen Anwendungen Informationen so schnell und effizient wie möglich verarbeiten und senden, und dann wieder in den Ruhemodus wechseln, um die Batterielebensdauer zu optimieren. Viele Anwendungen benötigen nur einfache Befehls- und Steuerfunktionen, oder ein schnelles Statusupdate von einem Sensor. Um diesem Bedarf zu entsprechen hat sich Bluetooth Low-Energy (LE) weiterentwickelt und unterstützt nun diese Anwendungen mit geringem Sendezeitanteil. Laut der Bluetooth SIG-Spezifikationsseite ermöglicht Bluetooth LE „kurze Funkverbindungen mit großen Reichweiten, sodass es ideal für IoT-Anwendungen geeignet ist, die keine kontinuierliche Verbindung benötigen, aber eine lange Batterielebensdauer.“ BLE arbeitet im selben Frequenzband wie Classic Bluetooth (ISM-Band mit 2,400 GHz bis 2,4835 GHz), verwendet aber andere Kanäle und andere Modulationstechniken. Auf der Bluetooth SIG-Website können Sie bei den Spezifikationen mehr über die BLE 4.x-Spezifikation lesen.

Microchip unterstützt BLE mit dem RN4020, einem umfassend zertifizierten Niedrigenergie-Bluetooth-Modul der Version 4.1 für Entwickler, die ihren Produkten auf unkomplizierte Weise energiesparenden Wireless-Funktionalitäten hinzufügen möchten. Das kleine, zur Oberflächenmontage bestimmte Modul verfügt über den kompletten Bluetooth-Stack on-board und wird durch einfache ASCII-Befehle über die UART-Schnittstelle gesteuert. Das RN4020 (Abbildung 2) enthält alle Bluetooth SIG-Profile sowie MLDP (Microchip Low-energy Data Profile) für benutzerdefinierte Daten. Microchip führt auch andere Produkte, die spätere Versionen der BLE-Spezifikation erfüllen, zum Beispiel das Bluetooth (4.2) Low-Energy-Modul BM71, das für eine einfache Implementierung in einem breiten Anwendungsspektrum ausgelegt ist. Es unterstützt den neuesten Bluetooth-Standard, liefert eine Durchsatzverbesserung um einen Faktor von bis zu 2,5 und sicherere Verbindungen als Produkte auf Bluetooth 4.1-Basis.

Abbildung 2: Bluetooth Low-Energy-Modul RN4020 von Microchip

Für energiesparende Wide Area Networks (WANs) ist der LoRaWAN™-Protokoll-Stack im LoRa®-Modul von Microchip verfügbar. Das LoRaWAN-Protokoll stellt Verbindungen zu LoRa-Gateways und -Netzwerkservern her, bei nahtloser Interoperabilität unter Smart-Komponenten.

Zusätzlich zur energiesparenden Internetverbindung benötigen viele Anwendungen eine hohe Datensicherheit bei der Übertragung und Speicherung.  

Integrierte Hardware-Verschlüsselung für den Datenschutz

Eine sichere Speicherung von Daten ist für viele Anwendungen wichtig, darunter Anwendungen, die sich auf die Datenprotokollierung konzentrieren, die Daten auf einem Wechseldatenträger speichern oder die aus mehreren Konfigurationsdateien laden müssen. Ob die Daten in der Nähe der MCU auf einer Karte mit einer Art externem Speicher (z. B. EEPROM) gespeichert werden oder über USB oder drahtlos an eine andere Komponente übertragen werden – Verschlüsselung ist der Schlüssel zum Schutz der Datenintegrität und Sicherung der Kommunikation.

Der Mikrocontroller-Familie PIC24FJ128GB204 von Microchip beinhaltet eine integrierte Hardware-Verschlüsselungsengine mit vollem Funktionsumfang, einschließlich Unterstützung für AES, DES und Triple DES. Ein Zufallszahlengenerator wird zum Erstellen von Schlüsseln für die Datenver- bzw. -entschlüsselung und die Authentifizierung verwendet und sorgt für ein höheres Sicherheitsniveau, weil die Schlüssel schwer zu reproduzieren sind. Ein One-Time-Programmable-(OTP)-Schlüssel verhindert ein Lesen oder Überschreiben des Chiffrierschlüssels durch Software.

Durch die Implementierung dieser Funktionen in der Hardware (statt in der Software) werden Software-Aufwand und Verarbeitungsbandbreite reduziert. Integrierte Hardware-AES ist bis zu 10 Mal schneller als Software-AES. Dieser Vorteil bei der Geschwindigkeit ermöglicht es, die MCU mit einer niedrigeren Frequenz zu betreiben, was wiederum Strom spart. Ein hardwaregestützter Schutz ist ideal für Anwendungen mit geringem Sendezeitanteil und energiesparende Anwendungen mit eingebetteter Sicherheit wie Überwachungskameras, Türschließanlagen und -bedienfelder, Smartcard-Lesegeräte, POS-Terminals und Stimmabgabegeräte. 

Die integrierte Hardware-Verschlüsselungsengine der Produktfamilie PIC24FJ128GB204 gilt als kernunabhängige Peripheriekomponente (CIP). Sobald sie in einem System initialisiert wurden, können CIPs stationäre Embedded-Steuerfunktionen mit geschlossenem Regelkreis ohne jede Intervention des MCU-Kerns bereitstellen. So vereinfachen sie die Implementierung von komplexen Systemen und geben den Entwicklern die Flexibilität zur Innovation.

Ein Implementierungsbeispiel für diese eingebettete Sicherheit ist beim PIC24 XLP mit sicheren Sensordaten zu finden.

Sensoren im IoT

In Abhängigkeit von dem Ereignis, das erfasst werden soll, können viele verschiedene Sensortypen in IoT-Anwendungen verwendet werden: Umgebungs-, Bewegungs- und Lichtsensoren, physikalische, chemische und elektrische Sensoren, aber auch Sensoren aus ganz anderen Bereichen wie Navigations-, Druck-, Kraft-, Näherungssensoren und optische Sensoren, um nur ein paar zu nennen. Das Endziel ist eine Interaktion zwischen Endbenutzer oder Maschine und dem Embedded-System, das Daten erfasst oder Aktuatoren steuert. Die naheliegende Wahl für Benutzeroberflächen mit Bluetooth-Anwendungen ist Mobiltechnologie.

Microchip hat eine PIC24-XLP-Bluetooth LE-IoT-Demo (Abbildung 3) entwickelt, die diese grundlegende Sensorfunktion zeigt. Die Demo wurde mit den Standard-Entwicklungstools von Microchip entwickelt, darunter Explorer 16 Board, PIC24FJ128GB204 Processor Plug-In Module (PIM) und Bluetooth LE PICtail Plus Daughter Card. Diese problemlos verfügbaren Tools können Sie verwenden, um diese Demo selbst zu kopieren. Die Demo wird von MCU-Firmware und einer App unterstützt, die auf einem Android-Handy oder -Tablet ausgeführt wird. Die erste Anwendung ist das Ein- und Ausschalten der LEDs mithilfe der Schaltflächen auf dem Tablet zur Demonstration grundlegender bidirektionaler Befehls- und Steuerungsfunktionen. Die App kann auch den Status der Schalter auf der Karte anzeigen, wie sie zwischen „an“ und „aus“ wechseln. Zur Demo gehört auch die Datensicherheit mithilfe der Verschlüsselungsengine, die auf der MCU PIC24FJ128GB204 integriert ist, mit bis zu 128-Bit-AES und einem Temperatursensor TC1074A mit analogem Ausgang von Microchip, der mit einem der A/D-Kanäle des Mikrocontrollers verbunden ist.

Abbildung 3: PIC24F-XLP-Bluetooth LE-IoT-Demo von Microchip

Sichere IoT-Sensordaten in die Cloud zu bringen, hat viele Vorteile. Lesen Sie unten mehr darüber.

Anbindung an die Cloud

Die Anbindung an die Cloud kann bei einer IoT-Komponente viele Vorteile bringen. Fernsteuerbefehle und Fernsteuerung, Ferndiagnose und Feld-Reprogrammierbarkeit, Profil und Status und Push-Benachrichtigungen sind nur einige davon. Es gibt viele mögliche Wege von Ihrem IoT-Produkt in die Cloud. Zu den üblicheren Konfigurationen zählen 1) Wi-Fi^® über einen Router, 2) Bluetooth über eine Mobilfunkverbindung, 3) Ethernet über einen Router, 4) LoRa über ein Gateway und 5) MiWi über ein Gateway oder einen Router. Mit einer Vielzahl von Wireless-Lösungen, Sensoren und eXtreme Low-Power-Mikrocontrollern ermöglichen Microchip-Produkte komplette IoT-Lösungen – einschließlich Endprodukt und Konnektivität –, damit Sie Ihr Embedded-System erfolgreich an die Cloud anbinden können.  

Fazit

Stromverbrauch und Sicherheit zählen zu den wichtigsten Aspekten bei der Entwicklung von Embedded-Designs, und das nicht nur für den Mikrocontroller selbst, sondern auch für den Rest des IoT-Designs. Für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und nur aus Batterien gespeiste Anwendungen hat Microchip eine Suite optimal geeigneter Produkte anzubieten, darunter Mikrocontroller mit eXtreme Low-Power-(XLP)-Technologie mit sehr geringen Strömen. Mit einer integrierten Hardware-Verschlüsselungsengine wird die Sicherheit erhöht, und mehrere Kommunikationspfade ermöglichen die Anbindung an die Cloud.