作者：Jeff Shepard

　　使用 Amazon AWS 和 Microsoft Azure 云等服務(wù)的云連接在一系列物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用中受到高度重視，包括工業(yè)和樓宇自動(dòng)化、智能醫(yī)療和運(yùn)輸、消費(fèi)電器和智能城市。在這些應(yīng)用程序中，云連接是必不可少的支持功能，但不是設(shè)備的主要功能。云存儲(chǔ)許多物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的澤字節(jié)數(shù)據(jù)以及對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的云遠(yuǎn)程訪問(wèn)變得越來(lái)越重要(圖 1)。

　　圖 1：多種類(lèi)型的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)需要訪問(wèn)云以進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。(圖片來(lái)源：AWS)

　　維護(hù)隱私、獲得所需的安全認(rèn)證、確?；ゲ僮餍院凸芾硗ㄐ叛舆t是開(kāi)發(fā)有效的云連接解決方案的重要方面。這些挑戰(zhàn)中的每一個(gè)都可以解決，但它們也可能將時(shí)間和資源從主要設(shè)備功能的開(kāi)發(fā)中轉(zhuǎn)移出來(lái)。

　　設(shè)計(jì)人員無(wú)需從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā)云連接，而是可以使用云連接開(kāi)發(fā)套件來(lái)加快流程。這些套件可用于基于微控制器單元 (MCU) 的設(shè)計(jì)和基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 的設(shè)計(jì)，并支持將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備快速連接到 Amazon AWS 和 Microsoft Azure 云所需的所有元素。

　　本文回顧了云連接的構(gòu)建塊和體系結(jié)構(gòu)，探討了用于收集和管理來(lái)自大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)的事件驅(qū)動(dòng)云體系結(jié)構(gòu)，并回顧了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織/國(guó)際電工委員會(huì) (ISO/IEC) 27017 和 27018 云安全指南。然后，它展示了來(lái)自 瑞薩電子 和 特拉西克 適用于基于 MCU 和 FPGA 的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，以及瑞薩電子的 MCU 和 英特爾.

　　云服務(wù)是連接到互聯(lián)網(wǎng)的分布式大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)資源。典型云環(huán)境中的元素包括(圖 2)：

　　設(shè)備和傳感器 – 設(shè)備可以包括與直接環(huán)境交互或響應(yīng)來(lái)自云的通信的硬件或軟件。設(shè)備的范圍可以從執(zhí)行器和電機(jī)到人機(jī)界面 (HMI)，如觸摸屏和移動(dòng)手機(jī)上的應(yīng)用程序。傳感器測(cè)量特定的環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進(jìn)行分析、存儲(chǔ)和/或決策。設(shè)備和傳感器可以使用互聯(lián)網(wǎng)直接連接到云，也可以使用網(wǎng)關(guān)間接連接。

　　網(wǎng)關(guān) – 提供通信平臺(tái)，如 Wi-Fi、以太網(wǎng)、蜂窩或其他無(wú)線協(xié)議，支持未直接連接到 Internet 的設(shè)備和傳感器訪問(wèn)云。網(wǎng)關(guān)還可以在發(fā)送到云之前提供初始篩選、聚合和數(shù)據(jù)處理。

　　物聯(lián)網(wǎng)云 – 是一種可擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)高效的方式，可支持廣泛分散的設(shè)備和傳感器，并為大數(shù)據(jù)提供大規(guī)模存儲(chǔ)、處理和分析。物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)是第三方托管的基礎(chǔ)設(shè)施和平臺(tái)，如Amazon AWS和Microsoft Azure。它們可以只包括硬件，但通常還提供廣泛的軟件包來(lái)支持?jǐn)?shù)據(jù)分析、報(bào)告和決策。

　　圖 2：物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)可以通過(guò)專(zhuān)用網(wǎng)關(guān)連接到傳感器和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。(圖片來(lái)源：瑞薩電子)

　　針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)的事件驅(qū)動(dòng)型云架構(gòu)

　　來(lái)自醫(yī)療設(shè)備、汽車(chē)系統(tǒng)、樓宇自動(dòng)化控制和工業(yè) 4.0 系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器信息可以使用事件驅(qū)動(dòng)的云架構(gòu)自動(dòng)發(fā)送到云端進(jìn)行收集、分析和決策?；倔w系結(jié)構(gòu)包括多個(gè)元素(圖 3)。

　　IoT傳感器數(shù)據(jù)是使用 IoT 邊緣運(yùn)行時(shí)和云服務(wù)收集的，該服務(wù)聚合數(shù)據(jù)并在靠近源的地方執(zhí)行初始分析。當(dāng)新數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，此邊緣服務(wù)會(huì)自主響應(yīng)，對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾，將其聚合為正確的格式，并根據(jù)需要將其安全地發(fā)送到云和本地網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

　　邊緣到云接口服務(wù)將數(shù)據(jù)引入云。除了提供邊緣連接服務(wù)外，接口還應(yīng)安全且可擴(kuò)展，并根據(jù)需要與云應(yīng)用程序和其他設(shè)備連接。

　　然后根據(jù)需要轉(zhuǎn)換引入的數(shù)據(jù)以進(jìn)行進(jìn)一步處理，并可以存儲(chǔ)以供將來(lái)參考。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可以包括擴(kuò)充和簡(jiǎn)單的格式設(shè)置，以支持下游分析和商業(yè)智能報(bào)告。初始分析還可用于為下一步中的機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 處理準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。此外，可以識(shí)別可能需要加速分析和決策的異常數(shù)據(jù)。

　　隨著越來(lái)越多的數(shù)據(jù)可用，ML 訓(xùn)練和分析是持續(xù)的過(guò)程。在架構(gòu)的最后一個(gè)塊中，移動(dòng)應(yīng)用程序或業(yè)務(wù)應(yīng)用程序可用于近乎實(shí)時(shí)地訪問(wèn)原始數(shù)據(jù)或查看 ML 處理的結(jié)果。自動(dòng)報(bào)告和警報(bào)可以提供所需的見(jiàn)解，以支持手動(dòng)或自動(dòng)管理作為原始傳感器數(shù)據(jù)源的設(shè)備。

　　圖 3：物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)的事件驅(qū)動(dòng)型參考架構(gòu)示例。(圖片來(lái)源：AWS)

　　IEC 27017 和 IEC 27018 – 為什么需要兩者

　　云解決方案的開(kāi)發(fā)人員需要 IEC 27017 和 IEC 27018。27017 定義了云服務(wù)的信息安全控制，而 27018 定義了如何在云中保護(hù)用戶隱私。它們由 ISO/IEC JTC 1/SC 27 聯(lián)合小組委員會(huì)開(kāi)發(fā)，是 IEC 27002 安全標(biāo)準(zhǔn)系列的一部分。

　　IEC 27017 為云服務(wù)提供商和云服務(wù)客戶提供建議的做法。它旨在幫助客戶了解云中的共同責(zé)任，并為客戶提供有關(guān)他們應(yīng)該從云服務(wù)供應(yīng)商那里獲得什么的見(jiàn)解。例如，它在基本IEC 27002標(biāo)準(zhǔn)中指定的37個(gè)控制措施的基礎(chǔ)上增加了七個(gè)額外的云服務(wù)控制措施。其他控件與以下內(nèi)容相關(guān)：

　　服務(wù)提供商和云用戶之間的職責(zé)分工

　　云合同結(jié)束時(shí)的資產(chǎn)返還

　　分離和保護(hù)用戶的虛擬環(huán)境

　　虛擬機(jī)配置職責(zé)

　　支持云環(huán)境的管理過(guò)程和操作

　　監(jiān)視和報(bào)告云活動(dòng)

　　云和虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的協(xié)調(diào)

　　IEC 27018旨在幫助云服務(wù)提供商評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)并實(shí)施控制措施以保護(hù)用戶的個(gè)人身份信息(PII)。當(dāng)與 IEC 27002 結(jié)合使用時(shí)，IEC 27018 為處理 PII 的公共云計(jì)算服務(wù)提供商創(chuàng)建一組標(biāo)準(zhǔn)的安全控制以及類(lèi)別和控制。在其幾個(gè)目標(biāo)中，IEC 27018概述了如何為云服務(wù)客戶提供一種機(jī)制來(lái)行使審計(jì)和合規(guī)性權(quán)利。當(dāng)單個(gè)云服務(wù)客戶對(duì)使用虛擬化服務(wù)器的多方云環(huán)境中托管的數(shù)據(jù)進(jìn)行審計(jì)可能具有技術(shù)挑戰(zhàn)性并增加現(xiàn)有物理和邏輯網(wǎng)絡(luò)安全控制的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，此機(jī)制尤其重要。該標(biāo)準(zhǔn)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括：

　　提高客戶 PPI 數(shù)據(jù)和信息的安全性

　　提高云用戶和客戶的平臺(tái)可靠性

　　幫助加快全球運(yùn)營(yíng)的部署

　　它定義了云提供商和用戶的法律義務(wù)和保護(hù)

　　基于MCU的云連接開(kāi)發(fā)平臺(tái)

　　這 RX65N 云套件 瑞薩電子為工業(yè)和樓宇自動(dòng)化、智能家居、智能電表、辦公自動(dòng)化和一般物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)平臺(tái)，以對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和評(píng)估。有兩種變體可供選擇： RTK5RX65N0S01000BE， 支持在美國(guó)使用的系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，以及 RTK5RX65N0S00000BE 對(duì)于世界其他地區(qū)。兩者都提供與 Amazon AWS 和 Microsoft Azure 云的快速連接(圖 4)。使用這些套件，以前沒(méi)有開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員可以快速開(kāi)始使用云連接環(huán)境中的解決方案。

　　圖 4：開(kāi)發(fā)人員可以使用 RX65N 云套件中的評(píng)估板快速實(shí)施連接到 Amazon AWS 和 Microsoft Azure 云的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。(圖片來(lái)源：瑞薩電子)

　　RX65N 云套件支持具有多個(gè)傳感器、用戶界面和通信功能的靈活開(kāi)發(fā)。它還提供了示例程序以加快應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)?？梢跃庉嫼驼{(diào)試示例程序。隨附的應(yīng)用筆記提供了應(yīng)用程序操作的詳細(xì)信息。示例程序基于 Amazon FreeRTOS 進(jìn)行移植，可以使用可用的源代碼庫(kù)自由擴(kuò)展、更改和刪除。該工具包具有 AWS 資格，因此可以安全可靠地與 AWS 通信，包括(圖 5)：

　　帶有溫度/濕度傳感器、光傳感器和 3 軸加速度計(jì)的云選件板，以及一個(gè)用于串行通信的 USB 端口和另一個(gè)用于調(diào)試的 USB 端口

　　基于Silex SX-ULPGN Pmod模塊的Wi-Fi通信模塊

　　所有必要的電源管理

　　RX65N 目標(biāo)板，包括 R5F565NEDDFP MCU 額定工作溫度范圍為 -40 至 +85 攝氏度 (°C)

　　圖 5：RX65N 云套件符合 AWS 標(biāo)準(zhǔn)，包括安全連接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所需的一切。(圖片來(lái)源：瑞薩電子)

　　瑞薩電子的RX65N MCU非常適合云和傳感器解決方案端點(diǎn)設(shè)備。功能包括：

　　120 MHz 操作，采用單精度 FPU

　　2.7 至 3.6 V 工作電壓

　　僅需 0.19 mA/MHz 即可支持所有外設(shè)功能

　　四種低功耗模式，用于優(yōu)化功耗/性能

　　通信接口包括以太網(wǎng)、USB、CAN、SD 主機(jī)/從接口和四通道 SPI

　　程序閃存高達(dá) 2 MB，SRAM 高達(dá) 640 KB

　　雙銀行功能簡(jiǎn)化了固件更新

　　安全

　　美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST) 聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn) (FIPS) 140-2 3 級(jí)加密模塊驗(yàn)證計(jì)劃 (CMVP) 認(rèn)證

　　瑞薩電子專(zhuān)有的硬件安全I(xiàn)P(可信安全I(xiàn)P)集成在一起，實(shí)現(xiàn)了高水平的信任根

　　可用的加密引擎包括AES，TRNG，TDES，RSA，ECC，SHA

　　配備保護(hù)閃存免受意外訪問(wèn)的功能

　　使用 FPGA 實(shí)現(xiàn)云連接

　　需要FPGA性能和云連接的設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向Terasic的 FPGA 云連接套件， 它結(jié)合了英特爾 Cyclone V 片上系統(tǒng) (SoC) FPGA，例如 5CSEBA5U23C8N，具有云連接功能。此開(kāi)發(fā)工具包已通過(guò)云服務(wù)提供商(包括 Microsoft Azure)的認(rèn)證，并包括開(kāi)源設(shè)計(jì)示例，這些示例可引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員完成將邊緣設(shè)備連接到云的過(guò)程。FPGA 云連接套件包括(圖 6)：

　　DE10-納米旋風(fēng) V 芯片芯片板

　　RFS 子卡，帶：

　　Wi-Fi，使用 ESP-WROOM-02 模塊，覆蓋范圍可達(dá) 100 米

　　帶加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)的 9 軸傳感器

　　環(huán)境光傳感器

　　濕度和溫度傳感器

　　UART 轉(zhuǎn) USB

　　2x6 TMD GPIO 接頭

　　藍(lán)牙 SPP，使用 HC-05 模塊，范圍可達(dá) 10 米

　　圖 6：Terasic 的 FPGA 云連接套件結(jié)合了 DE10-Nano Cyclone V SoC FPGA 板和 RFS 子卡。(圖片來(lái)源：泰瑞西克)

　　英特爾 Cyclone SoC FPGA 是一款基于 ARM 處理器的可定制 SoC，通過(guò)將包括處理器、外設(shè)和內(nèi)存控制器在內(nèi)的硬處理器系統(tǒng) (HPS) 與使用高帶寬互連的低功耗 FPGA 架構(gòu)集成，支持更低的系統(tǒng)功耗、更低的成本和更少的電路板空間。這些 SoC 特別適用于高性能物聯(lián)網(wǎng)邊緣應(yīng)用。

　　總結(jié)

　　將云連接添加到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器不一定是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)樗鼤?huì)轉(zhuǎn)移主要設(shè)備功能設(shè)計(jì)的資源。設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向基于 MCU 和 FPGA 的環(huán)境，這些環(huán)境支持快速高效地連接到 Amazon AWS 和 Microsoft Azure 云。這些開(kāi)發(fā)套件包括全面的傳感器套件、有線和無(wú)線通信選項(xiàng)，以及提供安全可靠的云連接的示例應(yīng)用程序。