Un exemplu excelent este microcontrolerul Wi-Fi, care integrează conectivitate Wi-Fi cu un procesor și GPIO-ul necesar pentru a răspunde nevoilor unei game diverse de aplicații. Există mai mulți factori care trebuie luați în considerare atunci când se dorește un astfel de dispozitiv, iar pentru a face o alegere prudentă este important să îi înțelegeți.
În prezent, există pe piață opțiuni de conectivitate Wi-Fi cu costuri reduse, dar deseori acestea presupun sacrificii atât în ceea ce privește numărul de periferice, cât și per ansamblu. Acest lucru înseamnă că alegerea celui mai bun microcontroler Wi-Fi este dificilă și riscantă, deoarece un astfel de microcontroler nu trebuie să aibă doar o conectivitate Wi-Fi robustă, ci și funcționalități de înaltă performanță. Lipsa oricăreia dintre cele două va determina întârzierea și chiar eșecul întregului proces de proiectare. Ca nucleu al sistemului, microcontrolerul Wi-Fi este cea mai critică dintre componente, astfel încât este necesar să se examineze performanța acestuia la începutul proiectului, deoarece schimbarea ulterioară a dispozitivului necesită, în general, reproiectarea întregului software și a configurației circuitului însoțitor.
Nu uitați de ADC
Conversia analog-digitală este una dintre cele mai neglijate funcții atunci când se specifică un microcontroler Wi-Fi, chiar dacă este prima componentă de procesare din lanțul de semnal după intrarea analogică. Acest lucru înseamnă că performanța sa influențează întregul sistem, așa că este important să înțelegeți parametrii cheie despre convertorul analog-digital (ADC) și modul în care producătorul microcontrolerului Wi-Fi ar trebui să îi abordeze.
Una dintre primele specificații asupra căreia proiectanții își îndreaptă atenția este numărul de biți ai ADC-ului. Acest lucru poate fi derutant deoarece, în practică, numărul real de biți va fi mai mic decât cel specificat în fișa tehnică, uneori chiar considerabil mai mic. Cel mai important este numărul efectiv de biți (ENOB) de care dispune ADC-ul pentru a efectua conversia. Acesta va fi invariabil mai mic decât cel specificat în fișa tehnică, dar cu cât ENOB și specificațiile din fișa tehnică sunt mai apropiate, cu atât este mai important, deoarece acesta variază considerabil între ADC-uri. Cu cât sunt mai puțini biți disponibili pentru efectuarea conversiei, cu atât mai puțin precis va putea fi redat semnalul de intrare de către SoC.
Figura 1: ADC-urile de calitate inferioară au o precizie și o liniaritate slabe și sunt sensibile la mediu și temperatură. (© Microchip Technology)
În plus, la fel ca toate dispozitivele electronice, ADC-urile “contribuie” cu ceva la semnal, fapt care le afectează negativ capabilitățile, generând erori, cum ar fi cele de cuantificare și de sincronizare, precum și variații ale offset-ului, câștigului și liniarității. ADC-urile sunt, de asemenea, renumite pentru sensibilitatea lor la variațiile mari de temperatură, acestea fiind întâlnite frecvent în multe medii de operare IoT industriale (vedeți figura 1). Producătorul microcontrolerului Wi-Fi poate atenua acest aspect, așa că este important să contactați producătorii fiecărui microcontroler Wi-Fi selectat pentru a verifica valoarea ENOB, performanța în funcție de temperatură, liniaritatea și precizia acestora. Dacă aceste informații nu pot fi furnizate, continuați căutările.
Suportul periferic
Toate microcontrolerele Wi-Fi sunt compatibile cu cel puțin câteva standarde de interfață, așa că este ușor de presupus că acestea vor fi suficiente. De multe ori, inginerii ajung să regrete această presupunere atunci când încearcă să utilizeze aceeași microcontroler Wi-Fi într-un alt proiect. Acest lucru este din ce în ce mai frecvent atunci când se construiesc sau se modifică sisteme IoT industriale, deoarece majoritatea unităților de producție au o gamă largă de mașini și controlere construite la momente diferite de către o varietate de producători.
Iar pe măsură ce sistemul se dezvoltă, probabil că va adăuga și mai multe interfețe și poate veni un moment în care va fi necesar suportul pentru caracteristici precum detecția tactilă și suportul LCD. Dacă sistemul pe cip (SoC) are resurse GPIO suficiente, vor putea fi controlate un număr mai mare de relee, întrerupătoare și alte componente, cu o partajare redusă (sau deloc) a pinilor. Din acest motiv, interfețele suportate de dispozitiv ar trebui să includă Ethernet MAC, USB, CAN, CAN-FD, SPI, I2C, SQI, UART și JTAG (și, eventual, interfață tactilă și suport pentru afișaj) pentru a se asigura că aproape orice scenariu poate fi acceptat acum și în viitorul apropiat.
Securitatea începe din interior
Securitatea este esențială pentru orice aplicație IoT, dar scenariile industriale sunt critice pentru misiune. Odată ce o amenințare își face loc într-o rețea IoT industrială, aceasta se poate deplasa într-o întreagă instalație și, eventual, într-o întreagă companie. Primul nivel de securitate necesar se află în cadrul motorului criptografic integrat al microcontrolerului, unde criptarea și autentificarea sunt efectuate fie secvențial, fie în paralel. Cifrarea ar trebui să includă criptarea AES cu dimensiuni de cheie de până la 256 de biți, DES și TDES, iar autentificarea ar trebui să includă SHA-1 și SHA-256 și MD-5.
Figura 2: Modulul Wi-Fi WFI32 izolează datele de identificare prin stocarea lor în hardware, ceea ce le face practic invulnerabile la atacurile hackerilor. (© Microchip Technology)
Întrucât fiecare furnizor de servicii cloud are propriile certificări și chei, iar provizionarea dispozitivului pentru acestea este complexă, necesitând cunoștințe considerabile în materie de criptografie, aceasta reprezintă una dintre cele mai dificile sarcini atunci când proiectanții își provizionează produsul pentru un serviciu cloud. Din fericire, unii producători, inclusiv Microchip Technology, simplifică acest proces, economisind cantități enorme de timp și bani. Reducerea timpului și a confuziei care rezultă din această abordare nu poate fi estimată; se pot elimina săptămâni sau chiar mai mult din procesul de proiectare, asigurându-se în același timp că toate cerințele de securitate și provizionare sunt îndeplinite cu o abordare dovedită și verificabilă.
Este important de reținut că majoritatea microcontrolerelor Wi-Fi stochează credențialele în memoria flash, unde datele sunt accesibile și vulnerabile la atacuri software și fizice. Cea mai mare securitate se obține prin stocarea acestor informații într-un element de securitate codificat hardware, deoarece datele din interiorul acestuia nu pot fi citite de niciun software extern. De exemplu, microcontrolerele Wi-Fi de la Microchip, cum ar fi WFI32 (vezi figura 2), utilizează această abordare în cadrul platformei Trust&GO a companiei pentru a asigura securizarea microcontrolerelor sale în vederea conectării la AWS IoT, Google Cloud, Microsoft Azure și la rețelele TLS ale terților.
Elementele securizate pre-provizionate, preconfigurate sau personalizate stochează acreditările generate în interiorul modulelor hardware securizate (HSM – Hardware Secure Modules) ale dispozitivului atunci când acesta este fabricat, izolându-le de expunere în timpul și după producție. Platforma Trust&Go necesită doar un kit de dezvoltare Microchip ieftin, în care proiectantul lucrează în cadrul suitei de proiectare incluse, folosind tutoriale și exemple de cod pentru a crea fișierul manifest necesar. Odată ce codul C pentru elementul securizat funcționează în aplicație, proiectarea poate fi trimisă în producție.
Cealaltă formă de securitate necesară este cea mai recentă securitate Wi-Fi certificată de Wi-Fi Alliance. Cea mai recentă versiune este WPA3, care se bazează pe predecesorul său WPA2, dar adaugă caracteristici pentru a simplifica securitatea Wi-Fi, a permite o autentificare mai robustă, a oferi o putere criptografică sporită și a menține rezistența rețelei. Toate dispozitivele noi trebuie să fie certificate WPA3 pentru a putea utiliza logo-ul Wi-Fi Alliance, astfel încât fiecare cip Wi-Fi și microcontroler Wi-Fi ar trebui să fie certificate pentru a asigura o securitate maximă. Cu toate acestea, asigurați-vă că microcontrolerul Wi-Fi propus este certificat WPA3.
Asigurarea interoperabilității
Întotdeauna este posibil ca un microcontroler Wi-Fi să nu poată comunica cu unele puncte de acces de pe piață din cauza nepotrivirii RF, a software-ului și a altor factori. Imposibilitatea de a se conecta la punctele de acces populare ar putea afecta reputația unei companii. Deși este imposibil de garantat că un microcontroler Wi-Fi va funcționa cu fiecare punct de acces (AP – Access Point) de pe planetă, problema poate fi minimizată prin asigurarea că microcontrolerul Wi-Fi a trecut testele de interoperabilitate cu cele mai populare AP-uri de pe piață. Aceste informații pot fi găsite pe site-urile web ale producătorilor, dar dacă nu sunt disponibile imediat, sunați producătorul și cereți-le, iar dacă nu reușiți, alegeți un alt furnizor.
Veți avea nevoie de ajutor
Figura 3: O dezvoltare integrată ca aceasta reduce riscurile, oferind proiectantului instrumente de depanare și alte instrumente de la etapa de prototip până la produsul finit. (© Microchip Technology)
Ultima, dar, cu siguranță, nu cea din urmă, este nevoia de asistență pentru proiectare. Fără un mediu integrat de dezvoltare (IDE) cuprinzător, proiectantul este nevoit să strângă resurse de pe Web care pot fi sau nu utile, simple sau fiabile. De exemplu, câțiva producători de microcontrolere Wi-Fi oferă detalii de bază despre produs și instrucțiuni pentru prototipare, dar se opresc aici, în loc să includă informațiile necesare pentru a trece de la acest stadiu la producție.
Pentru a fi cu adevărat util, producătorul ar trebui să furnizeze un IDE complet (vezi figura 3) care să includă fiecare funcție analogică și digitală realizată de microcontrolerul Wi-Fi și toate componentele externe necesare pentru implementarea în aplicații specifice. Acesta ar trebui să ofere un mijloc de vizualizare a modului în care modificările aduse proiectului se reflectă în performanța generală și abilitatea de a evalua performanța RF a proiectului, precum și conformitatea cu reglementările impuse. Unele dintre instrumentele de bază sunt gratuite, în timp ce altele sunt disponibile la un cost modest, inclusiv plăci de evaluare proiectate pentru a servi familiei de microcontrolere Wi-Fi ale producătorului.
Rezumat
Tendința în IoT este de a muta mai multă putere de procesare la marginea rețelei, mai degrabă decât să fie doar în centrele de date bazate pe cloud. Pentru a realiza acest lucru, este necesar să se integreze cât mai multe funcții în cât mai puțin spațiu și componente. Microcontrolerul Wi-Fi este unul dintre numeroasele SoC-uri care contribuie în mare măsură la realizarea acestui obiectiv prin integrarea mai multor funcții într-un singur dispozitiv, mai degrabă decât în componente discrete specifice funcțiilor.
Integrarea o dată cu aceste dispozitive într-un subsistem IoT embedded poate fi relativ simplă, presupunând că sunt disponibile resurse adecvate din partea producătorului de microcontrolere Wi-Fi. Acestea includ un nivel ridicat de securitate, un mijloc simplu de provizionare pentru a se adapta la nevoile furnizorilor de servicii cloud și un IDE cuprinzător care ghidează proiectantul de la prototip la producție.
Autor: Alex Li,
Microchip Technology | https://www.microchip.com
