Basso consumo, comunicazioni e sicurezza in progetti IoT industriale

Il consumo energetico e la sicurezza sono due delle principali preoccupazioni dei progettisti di sistemi embedded, specie in applicazioni di comando e di controllo di sensori IoT.

Per i progetti IIoT è importante che un microcontroller non solo consumi in media il meno possibile, ma anche che offra funzionalità che consentono un consumo energetico minimo anche nel resto del progetto.

Per applicazioni a bassa potenza o alimentate unicamente a batteria, la tecnologia eXtreme Low-Power (XLP) di Microchip presente nella famiglia di microcontroller PIC24F rende possibile comunicazioni di comando e di controllo di base a bassissimo consumo energetico per sensori IoT tramite una connessione Bluetooth^® LE (BLE) e maggiore sicurezza con un motore di crittografia hardware integrato.

Bassissimo consumo energetico

Dato che sempre più applicazioni elettroniche richiedono bassi consumi o alimentazione a batteria, la conservazione energetica assume una grande rilevanza. Le applicazioni odierne devono consumare poco e, in alcuni casi estremi, avere una durata superiore a 20 anni ed essere alimentate da una sola batteria. Per rendere possibili applicazioni come queste, i prodotti con la tecnologia eXtreme Low-Power (XLP) di Microchip offrono correnti di riposo molto basse in cui applicazioni a bassissima potenza spendono il 90-99% del loro tempo. Come visto nella Figura 1, la tecnologia XLP a 16 bit consente correnti di riposo fino a 40 nA e correnti di funzionamento fino a 180 μA/MHz.

Figura 1: PIC24FJ128GB204 - Consumo di corrente per varie modalità di sospensione

Un esempio eccellente di questo tipo di dispositivi a bassissima potenza è il microcontroller PIC24FJ128GB204 di Microchip. Dispone di numerose opzioni di gestione energetica per una riduzione estrema della potenza e risorse di riattivazione flessibili come la sospensione profonda, che consentono uno spegnimento quasi totale con capacità di riattivazione su trigger interni o esterni, ad esempio nel caso in cui un sensore ambientale debba effettuare letture asincrone/periodiche. Le modalità di sospensione e di inattività spengono selettivamente le periferiche e/o il nucleo per una riduzione sostanziale della potenza e una rapida riattivazione per gli interrupt delle applicazioni più critiche, come nel caso di un rilevatore di movimento di una telecamera di videosorveglianza. La modalità di semiriposo consente alla CPU di operare a una velocità di clock inferiore rispetto alle periferiche, mentre una modalità clock alternativa consente la commutazione al volo su una velocità di clock inferiore per una riduzione selettiva della potenza. Un'altra nuova modalità di sospensione è il riposo di mantenimento a bassa tensione in cui i circuiti essenziali vengono alimentati da un regolatore a bassa tensione separato. È inoltre presente un pin Vbat che consente al dispositivo di passare alla batteria tampone per ridurre al massimo il consumo energetico per il clock/calendario in tempo reale.

Disporre di un microcontroller che consente un consumo bassissimo con numerose modalità di sospensione e riattivazione flessibili è un fattore cruciale in un'applicazione con vincoli energetici. La bassa potenza riveste un'importanza fondamentale anche in tutte le funzioni di sistema come le comunicazioni.

Comunicazioni a bassa energia

Quando rilevano dati ed eseguono un codice, le applicazioni devono elaborare e trasmettere le informazioni nel modo più rapido ed efficiente possibile, dopodiché devono tornare a riposo per ottimizzare la durata della batteria. Molte applicazioni richiedono solo un comando e un controllo semplici, o un aggiornamento rapido dello stato da un sensore. Rispondendo a queste esigenze, Bluetooth Low-Energy (LE) si è evoluta per supportare queste applicazioni a basso ciclo di lavoro. Secondo la pagina delle specifiche di Bluetooth SIG, "Bluetooth LE consente brevi burst di connessione radio a lungo raggio, che la rende ideale per applicazioni di Internet delle cose (IoT) che non richiedono la connessione continua ma dipendono da una lunga durata della batteria". BLE opera nello stesso spettro della banda (banda ISM da 2,400 GHz a 2,4835 GHz) della tecnologia Bluetooth Classic, ma usa una serie diversa di canali e tecniche diverse di modulazione. È possibile trovare maggiori informazioni sulla specifica BLE 4.x nel sito Web di Bluetooth SIG sotto le specifiche.

Microchip supporta BLE con RN4020, un modulo Bluetooth 4.1 a bassa energia pienamente certificato per i progettisti che desiderano aggiungere facilmente capacità wireless a bassa potenza ai propri prodotti. Il modulo dal fattore di forma compatto a montaggio superficiale integra lo stack Bluetooth completo ed è controllato tramite comandi ASCII semplici attraverso l'interfaccia UART. RN4020 (Figura 2) include tutti i profili Bluetooth SIG, come pure quello MLDP (Microchip Low-energy Data Profile) per i dati personalizzati. Microchip offre anche altri prodotti che supportano le versioni successive della specifica BLE, come il modulo Bluetooth Low Energy (4.2) BM71 studiato per essere facilmente inserito in un'ampia serie di applicazioni. Con il supporto dell'ultimo standard Bluetooth, offre un throughput di 2,5 volte superiore e connessioni più sicure rispetto ai prodotti basati su Bluetooth 4.1.

Figura 2: Modulo Bluetooth Low Energy RN4020 di Microchip

Per le WAN (Wide Area Network) a bassa potenza, è disponibile lo stack di protocollo LoRaWAN™ sul modulo LoRa® di Microchip. Il protocollo LoRaWAN si collega facilmente ai gateway LoRa e ai server di rete, offrendo una interoperabilità omogenea e senza soluzione di continuità tra i dispositivi smart.

Oltre alla connessione a bassa energia a Internet, molte applicazioni hanno anche requisiti di trasferimento e memorizzazione dei dati in sicurezza.  

Crittografia hardware integrata per la protezione dei dati

La memorizzazione sicura dei dati è importante per numerose applicazioni, comprese quelle che riguardano la registrazione dei dati, quelle che salvano i dati in una chiavetta USB o quelle che devono essere caricate da più file di configurazione. Sia quando i dati vengono conservati vicino all'MCU su una scheda con un qualche tipo di memoria esterna (come una EEPROM), sia quando vengono inviati tramite USB o in modo wireless a un altro dispositivo, la crittografia è fondamentale per proteggere l'integrità dei dati e rendere sicure le comunicazioni.

La famiglia di microcontroller PIC24FJ128GB204 di Microchip include un motore di crittografia hardware completo e integrato, compreso il supporto per AES, DES e Triple DES. È incluso un generatore di numeri casuali che viene usato per creare chiavi di crittografia/decrittografia dei dati e l'autenticazione che offre un maggior livello di protezione rendendo difficile la riproduzione delle chiavi. La memorizzazione della chiave a programmazione unica (OTP) protegge la chiave di crittografia impedendone la lettura o sovrascrittura per via software.

Implementando queste funzioni nell'hardware (invece che nel software) si riduce il sovraccarico del software e la larghezza di banda di elaborazione. L'AES integrato nell'hardware è circa 10 volte più veloce rispetto all'AES nel software. Questo vantaggio della velocità consente di azionare l'MCU a una frequenza inferiore, risparmiando così sul consumo energetico. La protezione abilitata tramite hardware è ideale per applicazioni a basso ciclo di lavoro o con sicurezza embedded a bassa potenza, come le telecamere di videosorveglianza, serrature e pannelli, lettori di smartcard, terminali POS e macchine di voto elettronico. 

Il motore di crittografia integrato nell'hardware della famiglia PIC24FJ128GB204 è considerato una periferica indipendente dal core (CIP, Core Independent Peripheral). Una volta inizializzate in un sistema, le CIP possono fornire controllo embedded a circuito chiuso allo stato stazionario con zero intervento da parte del core dell'MCU. Di conseguenza, semplificano l'implementazione di complessi sistemi di controllo e offrono ai progettisti la flessibilità necessaria per innovare.

Un esempio di come è stata implementata questa sicurezza embedded lo si può trovare nel dispositivo PIC24 XLP con dati del sensore sicuri.

Sensori in IoT

Esistono molti tipi di sensori utilizzabili in un'applicazione IoT, a seconda della natura dell'evento da rilevare. Fra le categorie di sensori rientrano quelli ambientali, di movimento, della luce, fisici, chimici ed elettrici, ma la gamma potrebbe estendersi oltre e includere diversi altri campi come la navigazione, ottico, la pressione, la forza e la prossimità, tanto per citarne alcuni. L'obiettivo finale è quello di creare un'interazione tra un utente finale o una macchina e il sistema embedded che acquisisce i dati o controlla gli attuatori. La scelta ovvia per l'interfaccia utente con applicazioni Bluetooth è la tecnologia mobile.

Microchip ha sviluppato una demo IoT PIC24 XLP Bluetooth LE (Figura 3) che mostra le capacità di base di questo sensore. La demo è realizzata utilizzando strumenti di sviluppo standard di Microchip fra cui la scheda Explorer 16, il modulo plug-in (PIM) con processore PIC24FJ128GB204 e la scheda figlia Bluetooth LE PICtail Plus. Questi strumenti facilmente reperibili possono essere utilizzati per replicare con facilità da soli questa demo. La demo è supportata dal firmware MCU e da un'app eseguibile su un cellulare o un tablet Android. La prima applicazione accende e spegne i LED utilizzando i pulsanti a sfioramento sul tablet, dimostrando i comandi e i controlli bidirezionali di base. L'app può anche mostrare lo stato degli interruttori sulla scheda, commutandoli tra accesi e spenti. La demo include anche la protezione dei dati assicurata dal motore di crittografia integrato nell'MCU PIC24FJ128GB204, con AES fino a 128 bit e un sensore termico con uscita analogica TC1074A di Microchip collegato a uno dei canali A/D del microcontroller.

Figura 3: Demo IoT PIC24F XLP Bluetooth LE di Microchip

Salvare nel cloud i dati sicuri dei sensori IoT ha molti vantaggi (continua a leggere per saperne di più).

Connessione al cloud

Per un dispositivo IoT, la connessione al cloud offre numerosi vantaggi. Ne sono esempi il comando e il controllo remoti, la diagnostica remota e la riprogrammabilità sul campo, il profilo e lo stato e le notifiche push. Esistono anche molti percorsi potenziali dal proprio prodotto IoT al cloud. Fra le configurazioni comuni rientrano 1) Wi-Fi^® tramite un router, 2) Bluetooth tramite una connessione cellulare, 3) Ethernet tramite un router, 4) LoRa tramite un gateway e 5) MiWi tramite un gateway e un router. Grazie alla varietà delle soluzioni wireless, dei sensori e dei microcontroller eXtreme Low-Power, i prodotti Microchip consentono soluzioni IoT end-to-end, compresi il prodotto finale e la connettività richiesta per aiutarvi a collegare con successo il vostro sistema embedded al cloud.  

Conclusione

Il consumo energetico e la sicurezza sono due delle principali preoccupazioni dei progettisti di sistemi embedded, non solo per i microcontroller ma anche per il resto di un progetto IoT. Per applicazioni a bassa potenza o alimentate solo a batteria, Microchip offre una serie di prodotti ideali fra cui i microcontroller con tecnologia eXtreme Low-Power (XLP) con correnti estremamente basse, che affrontano il problema della sicurezza con un motore di crittografia integrato nell'hardware e mettono a disposizione più percorsi di comunicazione per la connessione al cloud.