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基于蜂窩技術的物聯網平臺電路設計

h1654155282.3538 ? 來源:電子迷 ? 作者:電子迷 ? 2020-08-16 10:51 ? 次閱讀

得益于硬件制造商和蜂窩服務提供商的新興解決方案,蜂窩技術為物聯網連接提供的選擇日益受到青睞。盡管蜂窩硬件模塊的可獲得性不斷提升,但由于開發人員需設法應對低級握手協議和更高級別的服務協議,且同時要確保安全實現,物聯網開發仍面臨嚴重延遲。

本文簡要回顧了蜂窩技術作為物聯網應用的有效連接選項而興起的背后因素,并討論了其實現面臨的挑戰。然后會介紹 STMicroelectronics 提供的一個現成的蜂窩開發平臺,并展示它如何用于解決實際連接問題,包括對物聯網設備越來越重要的高級通信和安全性。

物聯網的無線選擇

無線連接已成為許多物聯網應用的基本要求。盡管存在各種可用無線技術,但技術的選擇通常主要取決于對數據速率和傳輸范圍的要求(圖 1)。

雖然藍牙ZigbeeWi-Fi 繼續在短距離通信中占據主導地位,但許多物聯網應用需要達到的物理距離遠非這些技術所能及。對于這些應用,新興的低功耗廣域網 (LPWAN) 技術(如 LoRaWAN,Sigfox 等)可滿足范圍要求,但通常無法支持更高的數據速率。

面向物聯網的 LTE

商用蜂窩提供商通過擴充 LTE 網絡迅速進軍物聯網領域,提供的帶寬和范圍遠遠超出其他常用無線連接選項。它們還具有使用許可頻帶的優勢,這些頻帶不易受到干擾。隨著第三代合作伙伴計劃 (3GPP) LTE 版本 13 中定義的窄帶 LTE 服務變得可用,即使對于功率受限的設備,蜂窩也已經成為可行的選擇。

更為人所熟悉的 LTE 服務滿足了對視頻流所需的高帶寬網絡日益增長的需求,而包括 LTE CAT M1 和窄帶物聯網 (NB-IoT) 在內的窄帶 LTE 服務對帶寬和功能性的要求較為適中。這些更簡單的要求進而使 LTE 收發器制造商能夠構建出相應的解決方案,以滿足物聯網設計人員對更易于在資源受限型設計中集成的低功耗設備的需求。

LTE 收發器制造商提供了更有效的解決方案,而蜂窩提供商的 CAT M1 和 NB-IoT 服務則實現了更廣泛的地理覆蓋范圍,這兩者相結合,使得蜂窩連接成為物聯網設計人員的可行選擇。實際上,開發人員可以利用的窄帶 LTE 模塊選擇越來越多,例如 u-blox 的 SARA-R410M 或 Link Labs 的 LL-LTE-M-VZN-SE,這些模塊已通過運營商認證,可以為物聯網設備和其他連接應用快速開發蜂窩連接。這些 CAT M1 和 NB-IoT 模塊將嵌入式處理器與收發器和完整的 RF 信號路徑結合在了一起,包括了輸出功率放大器 (PA)、輸入放大器交換機濾波器(圖 2)。

對于開發人員而言,將這些高度集成的設備整合至定制設計中時,在硬件和軟件層面都相對簡單。這些模塊通常支持一個或多個標準串行接口,并支持 GPIO、天線檢測SIM 卡接口等。因此,開發人員只需添加合適的天線并將模塊連接到主處理器的 SPI 或 I2C 總線,或使用基本的 UART 控制,即可快速完成硬件集成。

這些模塊的軟件控制要求也同樣簡單。與大多數收發器模塊一樣,自最早期的計算機調制解調器開始,窄帶 LTE 模塊就能響應所用的相同類型 AT 命令序列協議。但是,這些 LTE 模塊的功能性獲得了明顯提升,允許開發人員使用單個 AT 命令執行更復雜的操作。使用 u-blox 的 SARA-R410M 模塊,開發人員可以從主機發送 AT + USOCO = 0、“8.8.8.8”、1111 等命令,以建立與遠程服務器的對等網絡連接。在這種情況下,模塊將完成在端口 1111 上與遠程主機 8.8.8.8 建立連接(識別為套接字 0)所需的事務處理序列,自動執行 TCP 連接的握手協商。

雖然硬件和命令接口在基礎級別很簡單,但在更高級別的通信協議中使用它們時要復雜得多。物聯網開發人員可能發現自己很難實現許多應用所需的高級協議和服務。但是,使用 STMicroelectronics 的 P-L496G-CELL02 開發套件和相關軟件,開發人員可以更快速地在物聯網設備中部署蜂窩連接。

蜂窩開發平臺

P-L496G-CELL02 套件提供完整的蜂窩物聯網開發平臺,包括 MCU 主機板、LTE 模塊擴展板、天線和 SIM 卡。作為 STMicro 的 Discovery 開發板系列的一員,主機板基于 STMicro STM32L496AGI6P MCU 構建而成,并提供板載調試器以及麥克風、LED 和用作基本用戶界面功能的按鈕。

雖然該開發板相對簡單,但 STM32L496 MCU 可提供廣泛的功能。MCU 基于帶浮點單元 (FPU) 的 Arm? Cortex?-M4 32 位內核,集成了 1 MB 閃存和 320 KB SRAM。這為代碼映像,甚至為固件更新過程中經常使用的多個代碼映像提供了充足的容量。全套集成模擬和數字外設支持數據采集、電機控制等一系列典型的物聯網應用需求。

為了滿足 MCU 本身無法提供的要求,開發人員可以使用主機板的 Arduino 接口,通過各種可用的 Arduino 盾板所具備的功能來增強主機板。物聯網應用中蜂窩連接的新興應用之一是將本地物聯網設備的小型網絡連接到云端。對于這種使用場景,開發人員可以使用 P-L496G-CELL02 套件作為網關,通過蜂窩服務連接到云端,并通過 Arduino 盾板提供的短距離無線連接選項連接到本地設備。

例如,開發人員可以通過添加 Inventek Systems 的 ISMART43340-C 盾板來支持 Wi-Fi 和藍牙連接,或通過添加 DFRobot 的 DFR0015 XBee 適配器盾板和 Digi International 帶集成天線的 XBP24CZ7WIT-004 XBee 模塊,來支持 Zigbee 連接。

當然,此類蜂窩網關的關鍵部分是蜂窩連接。借助 STMicro 的 P-L496G-CELL02 套件,開發人員只需將 LTE 模塊擴展板插入主機板的 STMod+ 連接器,即可使用 LTE CAT M1 或 LTE NB-IoT 運營商服務支持蜂窩連接。為了補充此蜂窩硬件平臺,STMicro 提供了一個廣泛的軟件環境,可演示蜂窩連接,并成為構建定制應用的基礎。

軟件環境

STMicro 的軟件環境建立在其 STM32Cube 軟件架構之上,該架構提供基于中間件組件的應用軟件支持,包括實時操作系統、USB 支持、文件系統服務等。中間件層位于硬件抽象層 (HAL) 之上,可實現跨越不同 STMicro MCU 系列的可移植性。在開發期間,開發人員可使用 STMicro 的 STM32CubeMX 工具中的圖形向導來指定配置,該工具可自動生成 C 語言初始化代碼。

開發人員可在 STM32Cube 環境基準功能的基礎之上,進一步添加擴展包,從而提供所需的庫和軟件示例以支持特定功能區域。值得一提的是,對于物聯網開發人員來說,兩個 STM32Cube 擴展包所支持的功能對任何連網的應用都很重要:STMicro X-CUBE-CLD-GEN 物聯網云軟件擴展和 STMicro X-CUBE-SBSFU(安全引導和安全固件更新)軟件擴展。

為了支持通信,X-CUBE-CLD-GEN 軟件包添加了全套中間件組件,包括 Eclipse Paho 項目的 MQTT 服務、mbed TLS 和 lwIP TCP/IP 堆棧(圖 3)。該擴展包還提供樣例應用程序,演示如何使用 MQTT 和 HTTP 協議連接到物聯網云平臺,包括 Eclipse Mosquitto、Litmus Automation 和 Ubidots。

包含在 X-CUBE-CLD-GEN 發行版中的 MQTT 樣例應用程序 GenericMQTTXcubeSample.c 提供了實現基于 MQTT 的云連接所需代碼的詳細示例。除了各種輔助函數外,該模塊還演示了打開 MQTT 連接、構建消息以及將消息發布到 MQTT 服務器所需的軟件設計模式。

STMicro 使設置基于 MQTT 的基礎網絡變得更加容易。P-L496G-CELL02 套件配有 EMnify 蜂窩 SIM 卡,并可免費訂購 EMnify 網絡三個月。使用此 SIM 卡,開發人員可以將 CELL02 套件連接到通過 EMnify 網絡與應用服務器相連的虛擬專用網絡 (VPN)。在此,可使用一個在開發環境中的實驗室計算機上或生產環境中的公共網絡主機上運行的 VPN 網關,通過 OpenVPN 隧道直接在連網設備和應用服務器之間進行數據交換(圖 4)。通過配置 VPN 網關以重定向流量,這些連接可以直接在應用服務器和設備之間進行,而無需網絡地址轉換 (NAT)。

X-CUBE-CLD-GEN 擴展解決了物聯網設備中云連接的基本要求,而 X-CUBE-SBSFU 軟件擴展則可減輕與云連接相關的常見來源威脅。STMicro X-CUBE-SBSFU 擴展提供了所需的安全固件更新和安全引導功能,阻止意在用受損代碼替換設備固件的攻擊,這些代碼可使物聯網設備淪為進一步攻擊物聯網網絡和應用的工具。

除樣例應用程序外,X-CUBE-SBSFU 軟件包還通過兩個額外的中間件組件(安全引擎和加密庫)擴展了 STM32Cube 環境(圖 5)。安全引擎組件提供處理受保護代碼和數據的服務,而加密庫則提供用于固件驗證和解密的基于軟件的非對稱和對稱加密機制。

在大多數系統中,基于軟件的加密可能會為能夠滲透底層機制的黑客提供攻擊面。因此,安全專家通常建議使用基于硬件的機制來提高安全性。但是,對于 STMicro X-CUBE-SBSFU 軟件包,其基于軟件的機制會受到內置于 MCU 硬件的硬件式基本安全功能的保護。

STM32L496 MCU 具有多種基于硬件的存儲器保護機制,其中包括存儲器保護單元 (MPU),允許開發人員為不同的閃存和 SRAM 區域指定不同的訪問權限。例如,SBSFU 代碼會配置 MPU,以確保在執行 SBSFU 代碼時不執行來自其他存儲器區域的代碼。舉例來說,在執行用于固件驗證或安全引導加載的代碼之后,SBSFU 擴展會重新配置 MPU,以允許正常執行用戶應用程序。

除了 MPU 功能外,STM32L496 MCU 還提供寫保護機制,以保護受信任代碼免受外部或內部來源的修改,包括意外或故意的運行代碼嘗試。此外,STM32L496 MCU 的專有代碼讀出保護 (PCRP) 機制允許開發人員將閃存區域定義為“僅執行”。該 PCRP 機制確保不能通過正常的讀寫操作訪問此“僅執行”代碼區域。

作為進一步的安全措施,STM32L496 MCU 包含一個內置防火墻機制,可保護受信任的代碼和數據免受防火墻之外代碼的任何訪問。通過防火墻訪問受保護區域僅能通過單個調用門進行,該調用門是位于代碼段基址第二個字的單個入口點。調用門機制提供可訪問受保護代碼和數據的唯一途徑,任何通過調用門之外的途徑訪問受保護存儲器的嘗試都會導致系統復位。

SBSFU 擴展使用這些硬件機制來保障基于軟件的中間件,能夠可靠地確保固件驗證和安全引導。例如,要加載加密認證機制所需的密鑰,SBSFU 代碼使用調用門函數打開防火墻,并運行受 PCRP 保護的僅執行代碼,該代碼將密鑰從閃存移動到受保護的 SRAM 區域,供庫的加密算法使用(圖 6)。

開發人員使用 SBSFU 安全引擎 (SE) 應用編程接口 (API) 來激活這些均基于硬件的安全機制,以訪問受保護的代碼和數據。SE 接口本質上是此調用門機制的包裝器,提供了一種相對簡單的機制,以在應用中實現安全功能。要訪問受保護的閃存,用戶應用會調用 SE 接口,該接口可確保關于使用調用門、訪問安全引擎、清理堆棧和恢復防火墻的正確操作順序(圖 7)。開發人員唯一的責任是確保在進入此受保護空間之前已禁用中斷,并在退出時重新啟用中斷。

開發人員可以檢查 X-CUBE-SBSFU 說明文檔和源代碼,以查找關鍵設計模式,包括使用調用門機制的基本方法。對受保護存儲器區域的任何調用均以調用 SE 接口 SET_CALLGATE() 函數開始,該函數將指針設置為 CallGate 函數,然后調用 SE_EnterSecureMode() 以禁用系統中斷。從這一點開始,對 SE 接口的后續調用使用調用門指針來訪問受保護的代碼和數據。最后,調用序列以對 SE_ExitSecureMode() 的調用來結束,其中至少包括啟用系統中斷。

除了這些低級別機制外,X-CUBE-SBSFU 還包含更高級別的功能,旨在簡化安全固件更新和安全引導的實現。開發人員可以利用這些相同的代碼模式,使用 SE API 函數(如 SE_CRYPTO_Encrypt_Init,SE_CRYPTO_Decrypt_Init 和 SE_CRYPTO_AuthenticateFW_Init 及相關函數)實現自定義身份驗證和加密功能。

總結

LTE 蜂窩技術正迅速成長為長距離、高可用性物聯網連接的首選方案。盡管高級 LTE 模塊簡化了硬件設計,但實現更高級別的功能仍然是一項挑戰。使用 ST P-L496G-CELL02 LTE 蜂窩開發套件和附帶的軟件,開發人員可以快速利用窄帶 LTE 連接實現安全的物聯網應用。

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