Faible consommation énergétique, communication et sécurité dans les conceptions IoT industrielles

La consommation énergétique et la sécurité sont les deux préoccupations primordiales des concepteurs de systèmes embarqués, particulièrement dans les applications de commande et de contrôle de capteurs IoT.

Dans les conceptions IoT industrielles, la consommation énergétique d'un microcontrôleur ne doit pas seulement être aussi basse que possible, mais celui-ci doit également intégrer des fonctionnalités qui permettent une consommation énergétique minimale pour le reste de la conception.

Pour les applications basse consommation ou dotées d'une alimentation par batterie uniquement, la technologie XLP (eXtreme Low-Power) de Microchip, intégrée à la gamme de microcontrôleurs PIC24F, permet des communications de commande et de contrôle de base ultrabasse consommation pour les capteurs IoT au moyen d'une connexion Bluetooth^® LE (BLE) et permet également de renforcer la sécurité avec l'intégration d'un moteur de cryptage matériel.

Ultrabasse consommation

L'économie d'énergie devient primordiale, étant donné que de plus en plus d'applications électroniques requièrent une basse consommation ou une alimentation par batterie. De nos jours, la consommation énergétique des applications doit être minime, voire atteindre une durée de vie de 20 ans ou plus avec une seule batterie. Pour permettre de telles applications, les produits équipés de la technologie XLP (eXtreme Low-Power) de Microchip offrent de très faibles courants de veille, représentant 90 à 99 % du cycle de vie des applications ultrabasse consommation. Dans la Figure 1, la technologie XLP 16 bits permet d'atteindre des courants de veille de 40 nA et des courants en mode d'exécution de 180 μA/MHz.

Figure 1 : Consommation énergétique du PIC24FJ128GB204 pour différents modes de veille

Un excellent exemple de ce type de dispositif ultrabasse consommation est le microcontrôleur PIC24FJ128GB204 de Microchip. Il présente plusieurs options de gestion de l'alimentation pour une réduction optimale de la consommation et des ressources de réactivation flexibles, par exemple la veille profonde, permettant une mise hors tension quasi totale avec la possibilité de réactivation à l'aide de déclencheurs internes ou externes, par exemple lorsqu'il est nécessaire d'effectuer des relevés périodiques/asynchrones au moyen d'un capteur environnemental. Les modes de veille et d'inactivité mettent hors tension des périphériques ou le cœur de manière sélective à des fins de réduction substantielle de la consommation et de réactivation rapide pour les interruptions d'application plus critiques, par exemple au niveau d'un détecteur de mouvement d'une caméra de sécurité. Le mode d'adaptation permet une exécution du processeur à une fréquence d'horloge plus faible que les périphériques et un mode d'horloge alterné permet un basculement à la volée vers une fréquence d'horloge plus faible pour une réduction sélective de la consommation. Un nouveau mode, le mode veille de rétention basse tension, permet d'alimenter les circuits essentiels à partir d'un régulateur basse tension distinct. Il présente également une broche Vbat qui permet un basculement du dispositif vers une batterie de secours, afin d'utiliser la consommation énergétique la plus faible pour les horloges/calendriers temps réel.

Un microcontrôleur qui permet le basculement vers un mode ultrabasse consommation et qui présente plusieurs modes de veille et de réactivation flexibles est primordial dans une application soumise à des contraintes de puissance. Une basse consommation est également primordiale pour toutes les fonctions du système, par exemple les communications.

Communications à faible consommation énergétique

Lors de la détection de données ou de l'exécution de code, les applications doivent traiter et transmettre des informations avec le plus de rapidité et d'efficacité possible, puis basculer de nouveau en veille afin d'optimiser l'autonomie de la batterie. De nombreuses applications nécessitent simplement les fonctions de commande et de contrôle ou de mise à jour rapide du statut à partir d'un capteur. En répondant à ces besoins, la technologie Bluetooth Low-Energy (LE) a évolué pour prendre en charge ces applications à faible rapport cyclique. Selon la page de spécifications Bluetooth SIG, « la technologie Bluetooth LE permet de brèves rafales de connexion radio à longue portée, la rendant idéale pour les applications Internet des objets (IoT) qui ne requièrent pas une connexion continue, mais une autonomie de batterie étendue ». La technologie BLE fonctionne dans la même bande de spectre (bande ISM de 2,400 GHz à 2,4835 GHz) que la technologie Bluetooth classique, mais utilise un ensemble différent de canaux et des techniques de modulation différentes. Pour en savoir plus, consultez les spécifications BLE 4.x sur le site Web de Bluetooth SIG, dans la section des spécifications.

Microchip prend en charge la technologie BLE avec le RN4020, un module Bluetooth 4.1 Low-Energy entièrement certifié, destiné aux concepteurs qui souhaitent ajouter facilement des fonctionnalités sans fil basse consommation à leurs produits. Le module compact à montage en surface présente la pile Bluetooth complète intégrée et est contrôlé au moyen de simples commandes ASCII sur l'interface UART. Le module RN4020 (Figure 2) comprend tous les profils Bluetooth SIG, ainsi que le profil MLDP (Microchip Low-energy Data Profile) pour des données personnalisées. Microchip propose également d'autres produits qui prennent en charge les dernières versions des spécifications BLE, par exemple le module BM71 Bluetooth (4.2) Low-Energy, conçu pour une implémentation simplifiée dans une large gamme d'applications. Prenant en charge la dernière norme Bluetooth, il fournit un débit jusqu'à 2,5 fois supérieur et des connexions plus sécurisées par rapport aux produits basés sur Bluetooth 4.1.

Figure 2 : Module RN4020 Bluetooth Low-Energy de Microchip

Pour les réseaux étendus (WAN) basse consommation, la pile de protocoles LoRaWAN™ est disponible dans le module LoRa® intégré de Microchip. Le protocole LoRaWAN simplifie la connexion vers les passerelles LoRa et les serveurs réseau, permettant une interopérabilité fluide au niveau des dispositifs intelligents.

En plus de la connexion basse énergie à Internet, de nombreuses applications présentent également des exigences de sécurité en matière de stockage et de transfert des données.  

Cryptage matériel intégré à des fins de protection des données

Un stockage sécurisé des données est important pour de nombreuses applications, notamment celles axées sur l'enregistrement des données, celles qui servent à enregistrer des données sur une clé ou qui nécessitent de se charger à partir de plusieurs fichiers de configuration. Le cryptage est un facteur clé dans la protection de l'intégrité des données et la sécurisation des communications, aussi bien pour les données stockées près du microcontrôleur sur une carte à l'aide d'un type de mémoire externe (par exemple une mémoire EEPROM) que pour celles envoyées par USB ou sans fil vers un autre dispositif.

La gamme de microcontrôleurs PIC24FJ128GB204 de Microchip comprend un moteur de cryptage matériel intégré et riche en fonctionnalités, notamment la prise en charge du cryptage AES, DES et Triple DES. Un générateur de nombres aléatoires est inclus et utilisé pour créer des clés de cryptage/décryptage et d'authentification des données, et permet de renforcer la sécurité en générant des clés difficiles à reproduire. Le stockage de clés OTP (One-Time-Programmable) empêche la clé de cryptage d'être lue ou remplacée au moyen d'un logiciel.

L'implémentation de ces fonctionnalités dans le matériel (et non dans les logiciels) vise à réduire la surcharge des logiciels et la bande passante de traitement. Un cryptage matériel AES intégré est environ 10 fois plus rapide qu'un cryptage logiciel AES. Cet avantage en termes de vitesse vous permet d'exploiter le microcontrôleur à une fréquence inférieure et d'économiser ainsi de l'énergie. La protection matérielle est parfaitement adaptée pour les applications à faible rapport cyclique ou les applications de sécurité embarquées basse consommation, par exemple les caméras de sécurité, les panneaux ou les verrous de porte, les lecteurs de cartes à puce, les terminaux de point de vente et les machines de vote.

Le moteur de cryptage matériel intégré, installé sur les produits de la gamme PIC24FJ128GB204, est considéré comme un périphérique CIP (Core Independent Peripheral). Une fois initialisés dans un système, les périphériques CIP peuvent fournir un contrôle embarqué en boucle fermée stable sans intervention du cœur du microcontrôleur. En conséquence, ils simplifient l'implémentation des systèmes de commande complexes et offrent une grande flexibilité d'innovation aux concepteurs.

Un exemple d'implémentation de sécurité embarquée est constaté sur le dispositif XLP PIC24 avec des données de capteur sécurisées.

Capteurs dans l'IoT

Il existe de nombreux types différents de capteurs pouvant être utilisés dans une application IoT, en fonction de la nature de l'événement à détecter. Les capteurs peuvent être classés en différentes catégories : environnementaux, physiques, électriques, chimiques, de mouvement et de lumière ; mais ils peuvent aller bien au-delà afin d'inclure de nombreux autres domaines, par exemple la navigation, l'optique, la pression, la force et la proximité, pour n'en citer que quelques-uns. L'objectif final consiste à créer une interaction entre un utilisateur final ou une machine et le système embarqué qui capture les données ou qui commande les actionneurs. Le choix évident pour l'interface utilisateur avec les applications Bluetooth est la technologie mobile.

Microchip a développé une démonstration IoT Bluetooth LE pour XLP PIC24 (Figure 3) qui explique les fonctionnalités de ce capteur de base. Cette démonstration a été conçue à l'aide des outils de développement standard de Microchip, notamment la carte Explorer 16, le module plug-in (PIM) PIC24FJ128GB204 et la carte fille PICtail Plus Bluetooth LE. Ces outils, déjà disponibles, vous permettent de répliquer facilement cette démonstration. Cette démonstration est prise en charge par un micrologiciel de microcontrôleur et une application à exécuter sur un téléphone ou une tablette Android. La première application consiste à activer et à désactiver les voyants DEL à l'aide des boutons tactiles sur la tablette, démontrant une commande ou un contrôle de base bidirectionnel. L'application peut également afficher l'état des commutateurs sur la carte, basculant entre les états On (activé) et Off (désactivé). La démonstration inclut également la sécurité des données à l'aide du moteur de cryptage intégré au microcontrôleur PIC24FJ128GB204, avec AES atteignant 128 bits et un capteur thermique à sortie analogique TC1074A de Microchip connecté à l'un des canaux analogiques/numériques du microcontrôleur.

Figure 3 : Démonstration IoT Bluetooth LE pour le XLP PIC24F de Microchip

L'acquisition des données de capteur IoT sécurisées depuis le cloud présente de nombreux avantages. Lisez la suite pour en savoir plus.

Connexion au cloud

La connexion au cloud présente de nombreux avantages pour un dispositif IoT. Les exemples incluent notamment la commande et le contrôle à distance, les diagnostics à distance et la reprogrammabilité sur site, le profil et l'état, ainsi que les notifications « push », pour n'en citer que quelques-uns. De nombreux autres chemins potentiels depuis votre produit IoT vers le cloud sont également possibles. Voici quelques configurations fréquentes : 1) Wi-Fi^® via un routeur, 2) Bluetooth via une connexion cellulaire, 3) Ethernet via un routeur, 4) LoRa via une passerelle, et 5) MiWi via une passerelle et un routeur. Avec une variété de solutions sans fil, de capteurs et de microcontrôleurs eXtreme Low-Power, les produits de Microchip permettent des solutions IoT de bout en bout, incluant le produit final et la connectivité requise pour vous aider à connecter votre système embarqué au cloud.  

Conclusion

La consommation énergétique et la sécurité sont les deux préoccupations primordiales des concepteurs de systèmes embarqués, non seulement pour le microcontrôleur, mais également pour le reste de la conception IoT. Pour les applications basse consommation ou dotées d'une alimentation par batterie uniquement, Microchip propose une suite de produits parfaitement adaptés, comprenant des microcontrôleurs équipés de la technologie XLP (eXtreme Low-Power) qui offrent des courants très faibles, permettent de renforcer la sécurité à l'aide d'un moteur de cryptage intégré et proposent plusieurs chemins de communication pour établir une connexion au cloud.