物聯網 （IoT） 傳感器終端正在迅速部署，用來監測商業和工業流程和系統，并酌情增加人工智能 （AI） 和機器學習 （ML） 技術。特別是在工業物聯網 （IIoT） 中，對傳感器數據進行分析，以提高效率，降低功耗，跟蹤系統整體性能，確保工人安全，維持安全功能，并通過預見性維護減少停機時間。

　　雖然該技術的使用越來越多，但對于剛接觸物聯網和云控制的設計者來說，學習傳感器部署、調試以及云服務和連接的核心概念可能是一條陡峭的學習曲線，會讓他們無從下手。這可能會影響開發時間并增加整體部署成本。

　　為了縮短學習曲線，交鑰匙型解決方案正變得越來越受歡迎，這樣可以簡化物聯網連接和基于云的分析和儀表板演示。

　　本文將簡要討論向物聯網連接和諸如亞馬遜網絡服務 （AWS） 等云服務的轉變。然后，介紹 Microchip Technology 的 AWS 物聯網傳感器開發板，說明開發人員如何使用它來輕松獲得可以支持 Wi-Fi 且連接 AWS 的傳感器節點，同時學習基本的物聯網和云控制概念。最后將討論 MikroElektronika 的子板如何快速與 Microchip 板對接，形成一個通過 AWS 控制和監控的 3D 運動傳感器板。

　　物聯網系統的作用在不斷擴大

　　物聯網和 IIoT 網絡正在擴展到新的領域。新型 IIoT 網絡最常見的應用是通過提高效率來改善生產力，同時保持并提升安全和安防。過程監測主要是通過安裝用來監控工業過程和環境的傳感器來完成的，包括溫度、濕度和壓力傳感器。諸如加速度、穩定性和沖擊等運動數據、簡單的模擬數據和開關位置也屬于監控對象。機器人、工人或資產的位置可以通過 GPS、RFID 標簽或各種無線三角測量算法來確定。

　　收集到的傳感器數據必須經過分析，這樣既能提高效率，又能確保最佳的系統性能。監測和控制這些不同傳感器的一個簡單方法是將這些傳感器連接到現有的云服務器。使用這種方法，我們無需為建立一個具有適當安全性的定制網絡應用而耗費時間、精力。

　　然而，對于一些剛接觸物聯網和云控制的公司來說，學習這些概念可能是一條陡峭的學習曲線，因此設施經理和他們的工程師可能會無從下手。這可能導致在實施這些 IIoT 終端時造成延時，增加成本。

　　套裝能讓設計者迅速開始使用物聯網和 IIoT

　　為了開始使用物聯網網絡和云計算，Microchip Technology 推出了支持 AWS 的 EV15R70A 物聯網 Wi-Fi 開發板（圖 1）。該開發板是一種實現物聯網和 AWS 連接的完整交鑰匙解決方案，可用作中樞器件在現場收集傳感器數據，將這些數據發送到 AWS，對數據進行分析并在一個基于瀏覽器的簡單界面上展示。該開發板體積小，功能強大，提供了許多安全物聯網終端的選擇。

圖 1：Microchip EV15R70A 物聯網 Wi-Fi 開發板是一種交鑰匙解決方案，用于將支持 Wi-Fi 的傳感器連接到 AWS，然后進行分析、展示、監測和控制。（圖片來源：Microchip Technology）

　　EV15R70A 由 Microchip Technology ATMEGA4808-MFR 20 兆赫 （MHz） 微控制器控制。這種控制器具有 48 千字節 （KB） 閃存和 6KB 的 SRAM。使用所示的 18 個端口引腳（Pxx，棕色標簽），這種容量的存儲器足以運行一個簡單的物聯網傳感器節點，并且有多余的容量用來控制因外部設備而增加的應用代碼。片載 EEPROM 的 256 字節用于存儲校準常數、安全信息、Wi-Fi 連接數據和傳感器數據。ATMEGA4808-MFR 采用一個功能強大的 8 位 megaAVR 內核，不僅可以輕松管理 IIoT 數據傳輸，而且功耗極小。通過使用一個能夠減少 CPU 周期的雙周期硬件乘法器，進一步降低了功耗。

　　在 Wi-Fi 連接方面，ATMEGA4808 通過 SPI 接口與 Microchip Technology 的 ATWINC1510-MR210PB1952802.11b/g/n Wi-Fi模塊連接（圖 2）。該器件包括 WEP、WPA 和 WPA2 安全技術，支持加密傳輸層安全 （TLS） 連接。在模塊零件編號中，“1952”代表 ATWINC1510 上的固件版本，所以后來的板子上可能有固件版本較晚的模塊。

圖 2：Microchip Technology 的 ATWINC1510-MR210PB 802.11b/g/n Wi-Fi 模塊通過 TLS 支持 WEP、WPA 和 WPA2 安全。該器件通過 SPI 串行端口與主機微控制器連接。（圖片來源：Microchip Technology）

　　ATWINC1510-MR210PB 具有一個集成 PC 板天線，如圖 2 中的 A1 所示。這使得 EV15R70A 開發板可以開箱即用，有助于不熟悉射頻和天線布局的開發人員更快速地啟動工作。如果需要增加 Wi-Fi 范圍，可以連接一個外部天線。

　　ATWINC1510-MR210PB 需要 2.7 V 至 3.6 V 的電源，在不發送或接收時，其休眠電流僅為 0.380 毫安 （mA）。當無線電工作時，該模塊在發射時消耗 269 mA（最大），接收時消耗 61 mA。對于物聯網終端來說，這樣的電流消耗已經足夠低了，因此有助于延長電池運行時間。該模塊通過了美洲、歐洲和亞洲使用的相應認證，能夠簡化監管部門對納入了 EV15R70A 的最終設計的批準過程。

　　對 IIoT 網絡數據進行加密

　　今天的安全互聯網流量通常使用 TLS 技術進行加密，以防止敵對的運營商了解任何捕獲的數據流量。但是，“中間人”攻擊仍然可以使用復雜的方法，通過尋找連接中的缺陷來攔截和捕獲數據。為了進一步保證物聯網通信安全，應該對網絡數據進行加密。

　　為了對在開發板和 AWS 之間傳輸的數據進行加密，EV15R70A 包括一個 Microchip Technology 的 ATECC608A-MAHCZ-T 安全加密認證芯片。ATECC608A 通過 I2C 接口與 ATMEGA4808 連接，對 Wi-Fi 傳感器數據進行加密和解密。ATECC608A 支持許多加密標準，包括 AES-128 和 SHA-256。該開發板還可用于存儲與 AWS 通信所使用的公用和私人加密密鑰。

　　每塊 EV15R70A 開發板中的每個 ATECC608A 都使用一套獨特的公鑰和私鑰進行了編程，以便進行數據加密和解密。關于 ATECC608A 加密和解密操作的詳細步驟，只能按照保密協議從 Microchip Technology 獲得。然而，使用該套件中包含的 ATMEGA4808 閃存固件，開發人員只需事先了解一些加密協議，便能輕松地對開發板和 AWS 之間傳輸的數據進行加密和解密。對于剛剛接觸加密的開發人員來說，這樣會大大簡化其對物聯網終端進行的操作。

　　至于物聯網終端，要增強針對網絡攻擊和密集物理攻擊的抵御能力，ATECC608A 器件內置了安全功能，可以抵御物理入侵。例如：

• 　　該器件可以檢測到物理攻擊，如試圖以電子方式探測其內部狀態而解封設備。
• 　　該器件可以檢測到各種奇怪的攻擊，例如將設備置于極度寒冷的環境中，試圖保存存儲器內容。
• 　　該器件可以檢測到不尋常的 I2C 活動，如非?？旎蚍浅Ｂ?a href="http://www.nxhydt.com/tags/時鐘/" target="_blank">時鐘速度，以及非標準時鐘波形。
• 　　內部存儲器的內容是經過加密的。
• 　　內部電路可能包含虛假電路，以規避反向工程。
• 　　將 EV15R70A 連接 AWS

　　通過 EV15R70A 的固件，可以通過安全 Wi-Fi 將開發板與 AWS 連接。一旦建立了與 AWS 的連接，就可以通過已連接適當 AWS 賬戶的任何網絡瀏覽器快速地監測、配置和控制該板。

　　開始使用 AWS 開發板時，開發人員需要首先用 USB 電纜將開發板與計算機上連接。計算機將會把該開發板作為一個名為 CURIOSITY 的 USB 閃存驅動器。然后，開發人員可以像瀏覽典型閃存設備那樣瀏覽該開發板。在根部有一個文件，其相應的被命名為 CLICK-ME.HTM。點擊這個文件可以在計算機的默認網絡瀏覽器中打開器件的起始頁。

　　EV15R70A 通過 USB 電纜連接計算機，看起來像 USB 閃存設備。點擊文件 CLICK-ME.HTM 會在默認的網絡瀏覽器中出現一個網頁，向用戶介紹開發板并提示需要更新的開發板固件。

　　在最初頁面，向開發人員介紹開發板，此時開發人員應確定開發板運行的是最新固件。點擊“獲取最新固件”就可以解決這個問題。然后，開發人員需要向下滾動網頁，找到一個指導開發人員如何配置開發板操作的流程，使開發板自動連接本地 Wi-Fi 網絡。當成功配置和連接后，藍色的 Wi-Fi 狀態 LED 指示燈亮。當連接到 AWS 賬戶時，綠色的 連接狀態 LED 指示燈亮。這樣能直觀地看到開發板的狀態，并助于解決連接問題。

　　一旦與 AWS 建立了安全連接并且云應用投入運行，每次在開發板和 AWS 之間發送數據時，黃色的數據傳輸 LED 指示燈閃爍。該開發板包含光傳感器和溫度傳感器，并由 ATMEGA4808 對其進行定期采樣。獲得的數據會被發送到 AWS，以便在線查看。

　　對于更高級的應用，開發人員可以編寫固件與任何 GPIO 引腳和外設進行交互操作?？梢詫⒚}沖寬度調制 （PWM） 端口設置為產生一個波形，用于操作電機或執行機構，SPI 和 UART 可以設置為與外設進行交互。這些交互中的任何一個都可以在連接相應 AWS 賬戶的網絡瀏覽器上進行監測和控制。

　　EV15R70A 具有兼容 mikroBUS Click 子板的針座連接器，這種子板也可由 AWS 控制和監測。例如，MikroElektronika 的 MIKROE-1877 是一種 3D 運動傳感器融合板，包括一個三軸加速計、一個陀螺儀和一個磁力計（圖 4）。通過一個板載運動協處理器監測這三個傳感器，并通過 mikroBUS Click I2C 接口將數據送回 EV45R70A。

圖 ：MikroElektronika 的 MIKROE-1877 是一塊 3D 運動傳感器板。該板包括一個三軸加速度計、一個陀螺儀、一個磁力計和一個傳感器融合協處理器，并通過一個標準的 mikroBUS Click 接口與 EV45R70A 板 連接。（圖片來源：MikroElektronika）

　　將 MIKROE-1877 3D 運動傳感器板插入 EV45R70A，開發人員可以編寫固件來監測和存儲來自傳感器板的數據。可以配置一個 AWS 應用來監測傳感器板并記錄數據。當通過電池供電時，EV45R70A 與 MIKROE-1877 可用于監測機器人、車庫門或車輛情況，并能從任何兼容的網絡瀏覽器查看數據。

　　總結

　　對于不熟悉安全等關鍵領域的概念和細微差別的開發人員來說，初次使用物聯網或具有云控制功能的 IIoT 終端可能需要經歷一條陡峭的學習曲線。通常，了解這些技術的最佳方式是使用經過專門設計的硬件邊學邊做。利用 Microchip Technology 的 EV45R709A AWS 開發板，開發人員可以快速學習物聯網、云存儲和云控制的基本概念，同時構建一個有用的、安全的遠程監測設備。