基于Microchip LoRa 工业 IoT 设计中的低功耗、通信和安全性

功耗与安全性是嵌入式系统设计师的两大重要担忧,尤其是在 IoT 传感器命令和控制应用程序中。

对于工业 IoT 设计而言,微控制器不仅要自身的平均功耗尽可能低,还要具备让设计的其余部分功耗降至最低的特性,这点非常重要。

对于低功耗或仅由电池供电型应用,PIC24F 微控制器系列中采用的 Microchip 超低功耗 (XLP) 技术通过蓝牙® LE (BLE) 连接让 IoT 传感器实现了极低功耗的基本命令和控制通信,并通过集成硬件加密引擎增强了安全性。

超低功耗

由于更多电子应用程序要求低功耗或电池供电,节能成为首要问题。 目前的应用程序必须具有低功耗,并且在某些极端情况下,仅通过一块电池就可持续运行 20 年以上。 要实现诸如此类的应用程序,采用 Microchip 超低功耗 (XLP) 技术的产品可提供非常低的休眠电流,而超低功耗应用程序有 90-99% 的时间都处于该状态。 如图 1 所示,16 位 XLP 技术能让休眠电流降至 40 nA,运行电流降至 180 μA/MHz。

闪存和引脚 最小休眠电流 带 WDT 的最小休眠电流 带 RTCC 的最小休眠电流
64-128 KB
28-44 引脚
3.3 V 时 40 nA(典型值) 3.3 V 时 270 nA(典型值) 32 kHz、
3.3 V 时 400 nA(典型值)

图 1:不同休眠模式的 PIC24FJ128GB204 电流消耗

该类型超低功耗器件的一个典范是 Microchip PIC24FJ128GB204 微控制器。 它具有多个用于极大降低功耗和灵活唤醒资源的功率管理选项,例如深度休眠状态下,几乎完全关机,但能通过内部或外部触发器唤醒,例如当环境传感器需要采集异步/定期读数时。 休眠和待机模式选择性地关闭外设和/或内核,以大幅降低功耗,并可快速唤醒较关键的应用程序中断,如安全摄像头运动检测器。 打盹模式让 CPU 能以比外设更低的时钟速度运行,可选时钟模式可实现实时切换至更低的时钟速度,从而选择性地降低功耗。 另一种新的休眠模式是低电压保留休眠,它通过单独的低压稳压器向基础电路供电。 它还带有 Vbat 引脚,能让器件对实时时钟/日历过渡到备用电池,以实现最低功耗。

具有多种灵活的休眠和唤醒模式来实现超低功耗的微控制器,对于功率受限应用程序至关重要。 低功耗在所有系统功能中也非常重要,如通信。

低功耗通信

在感测数据和执行代码时,应用程序需要尽快高效地处理并传输信息,然后返回休眠,以优化电池寿命。 许多应用程序仅需要简单命令和控制,或者通过传感器进行快速状态更新。 通过满足这些需求,低功耗蓝牙 (LE) 已发展成支持这些低占空比应用程序。 根据蓝牙 SIG 规范页面,“蓝牙 LE—允许长程无线电连接的短脉冲,非常适合无需连续连接但依赖于长电池寿命的物联网 (IoT) 应用程序。” BLE 在与常规蓝牙技术相同的频带(2.400 GHz 到 2.4835 GHz ISM 频带)内工作,但使用另一组通道和不同的调制技术。 您可以在蓝牙 SIG 网站的规范中获取更多关于 BLE 4.x 规范的信息。

Microchip 的 RN4020 支持 BLE,这是一款通过完全认证的蓝牙版本 4.1 低功耗模块,专为想要将低功耗无线能力加入产品的设计师打造。 这款外形小巧的表面贴装模块具有完整板载蓝牙堆栈,通过 UART 接口的简单 ASCII 命令进行控制。 RN4020(图 2)包括所有蓝牙 SIG 配置文件,以及用于定制数据的 MLDP(Microchip 低功耗数据配置文件)。 Microchip 还有其他支持更高版本 BLE 规范的产品,如 BM71 蓝牙 (4.2) 低功耗模块,专门设计用于轻松部署到各种应用程序中。 它支持最新蓝牙标准,可提升高达 2.5 倍的吞吐量,并且连接安全性比基于蓝牙 4.1 的产品更高。

Microchip RN4020 蓝牙低功耗模块

图 2:Microchip RN4020 蓝牙低功耗模块

对于低功耗广域网 (WAN),Microchip LoRa® 模块提供板载 LoRaWAN™ 协议堆栈。 LoRaWAN 协议可轻松连接至 LoRa 网关和网络服务器,提供智能设备之间的无缝互操作性。

除了低功耗连接到互联网外,许多应用程序还有数据安全传输和存储要求。  

提供数据保护的集成硬件加密

安全数据存储对许多应用程序都很重要,包括注重数据记录的应用程序、将数据保存到闪盘的应用程序、或者需要从多个配置文件加载的应用程序。 无论数据是通过某些类型的外部存储器(如 EEPROM)存储在板载 MCU 上,还是通过 USB 或无线发送到另一台设备,加密对于保护数据完整性和保障通信至关重要。

Microchip PIC24FJ128GB204 微控制器系列包括全功能集成硬件加密引擎,支持 AES、DES 和 Triple DES。 所含的随机数生成器用于创建数据加密/解密和身份验证密钥,并通过生成难以复制的密钥提高安全性。 一次性可编程 (OTP) 密钥存储可保护加密密钥被软件读取或覆盖。

通过在硬件(而非软件)中实施这些功能,可降低软件开销和处理带宽。 集成硬件 AES 比软件 AES 速度快 10 倍左右。 这种速度优势能让您以更低的频率运行 MCU,以节省功耗。 硬件保护非常适合低占空比应用程序或低功耗嵌入式安全应用程序,如安全摄像头、门锁和面板、智能卡读卡器、POS 终端和投票机等。

PIC24FJ128GB204 产品系列采用的集成硬件加密引擎被视为独立于内核的外设 (CIP)。 一旦在系统中初始化,CIP 便可提供稳态闭环嵌入式控制,无需 MCU 内核介入。 因此,这些器件简化了复杂控制系统的实施,让设计人员更加灵活地去创新。

带有安全传感器数据的 PIC24 XLP 器件就是如何实施这种嵌入式安全性的例子。

IoT 中的传感器

根据需要检测的事件性质,IoT 应用中有许多不同类型的传感器。 传感器分类包括环境、运动、光、物理、化学和电,还可进一步扩展到许多其他领域,如导航、光学、压力、力学和近距离等。 最终目标是在最终用户或机器与捕捉数据或控制致动器的嵌入式系统之间创建交互。 显然,蓝牙应用的用户界面选择正是移动技术。

Microchip 已开发出 PIC24 XLP 蓝牙 LE IoT 演示(图 3),展示了这种基本传感器能力。 该演示采用 Microchip 标准开发工具构建,包括 Explorer 16 开发板、PIC24FJ128GB204 处理器插件模块 (PIM) 和蓝牙 LE PICtail Plus 子卡。 这些随时可用的工具可让您自行轻松重现该演示。 该演示由 MCU 固件和一款将在 Android 手机和平板电脑上运行的应用程序提供支持。 第一个应用程序是使用平板电脑上的触摸键打开或关闭 LED,演示了基本的双向命令和控制。 该应用程序还展示了板载开关的状态(打开和关闭)。 该演示还包括采用 PIC24FJ128GB204 MCU 集成加密引擎的数据安全(最多 128 位 AES),以及连接到其中一个微控制器 A/D 通道的 Microchip TC1074A 模拟输出热传感器。

Microchip PIC24F XLP 蓝牙 LE IoT 演示

图 3: Microchip PIC24F XLP 蓝牙 LE IoT 演示

让安全 IoT 传感器数据接入云端可带来诸多益处,继续阅读以了解更多。

连接到云

对于 IoT 设备,连接到云有许多益处。 例如,远程命令和控制、远程诊断和现场再编程能力、配置文件和状态、以及推送通知等。 将您的 IoT 产品接入云端的潜在途径有许多种。 一些常见配置包括 1) 通过路由器的 Wi-Fi®,2) 通过手机连接的蓝牙,3) 通过路由器的以太网,4) 通过网关的 LoRa,以及 5) 通过网关和路由器的 MiWi。 通过各种无线解决方案、传感器和超低功耗微控制器,Microchip 产品可实现端到端的 IoT 解决方案,包括最终产品和所需连接,帮助您成功将嵌入式系统连接到云。  

结论

功耗和安全性是嵌入式系统设计师的两大重要担忧,不仅是微处理器,IoT 设计的其余部分亦然。 对于低功耗或电池供电型应用,Microchip 拥有一整套适合这些应用的产品,包括具有极低电流的超低功耗 (XLP) 技术微控制器,通过集成硬件加密引擎解决安全问题,还提供多种连接到云的通信途径。

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