طراحی‌ ساده تر اینترنت اشیا بی سیم

طراحی سیستم های جاسازی شده همه یک وجه مشترک دارند: ریزپردازنده و کنترل کننده. این سیستم ها می‌توانند به کوچکی کنترل‌کننده‌های ۴ بیتی با فضای کد کمتر از 1K یا به بزرگی یک ابررایانه با پردازش چند هسته‌ای چند گیگاهرتزی  باشند. اما، طراحی‌ سیستم‌های تعبیه‌شده مبتنی بر اینترنت اشیا، نیاز معمول دیگری نیز دارند. بسیاری از طرح ها شامل سیگنال های ترکیبی خواهند بود، بنابراین تقریباً در هر طرحی از ارتباطات بی سیم استفاده خواهد شد.

در اینجا یک چالش نهفته است. آیا طراح، یک پردازنده همه کاره باز با عملکرد، تجهیزات جانبی، حافظه و قدرت پردازشی بسیار بیشتر از آنچه که صرفاً برای داشتن یک پردازنده یکپارچه یا پردازنده های کاربردی اختصاصی برای انجام وظایف خاص لازم است، انتخاب می کند؟ آیا هزینه اولویت مهمتری نسبت به بهره وری انرژی و ابعاد سیستم است؟

هر دو رویکرد ممکن است بسته به انواع محدودیت‌های طراحی، مناسب باشد. امروزه، عوامل و میکروکنترلرها/ریزپردازنده های زیادی برای انتخاب وجود دارد، به خصوص که سیستم های تعبیه شده متنوعی در اختیار ماست و وارد زندگی ما گردیده است. تقریباً هر مکان اکنون یک محیط هوشمند است.

متخصصین آی سی پارس، در این مقاله به بررسی چالش ها و ابعاد مختلف ارتباطات بی سیم در اینترنت اشیا پرداخته اند.

پروتکل های بی سیم

هر دستگاه بی سیم از نوعی پروتکل برای برقراری و حفظ امنیت ارتباطات استفاده می کند. اگرچه پروتکل‌های سلولی با هزینه بالاتر و سطح عملکرد بهتر را می‌توان برای ارتباطات خانه و ساختمان استفاده کرد، اما هزینه ماهانه تلفن همراه را به همراه خواهد داشت. سیستم های مدرن 4G و 5G در این دسته قرار می گیرند و از طیف وسیعی از پروتکل های بی سیم برای اتصال پیشرفته استفاده می کنند.

Wi-Fi® برای پخش جریانی مبتنی بر رسانه و اتصال با سرعت بالا در یک مرکز محبوب است. بسیاری از آی‌سی‌ها و ماژول‌های Wi-Fi تعبیه شده، به راحتی برای طراحان در دسترس هستند. با این حال، بسیاری از طرح‌ها به منظور استفاده از وای‌فای پیچیده تر، به سرعت انتقال داده چند گیگابیت بر ثانیه و بودجه‌های بالاتری نیاز دارند.

پروتکل های Zigbee، Bluetooth®  و LTE ، پروتکل‌های بی‌سیم دیگری هستند که در شکل زیر به ویژگی های آنها اشاره شده است:

در مبحث معماری این پروتکل ها اشاره به این نکات نیز خالی از اهمیت نیست که شبکه های ستاره ای نیاز دارند که هر گره در مجاورت نزدیک تری به مرکز ستاره ، که معمولاً یک مرکز تجمع است، باشند. از سوی دیگر ، شبکه‌های همتا به همتا و مش می‌توانند از گره‌ای به گره دیگر داده را منتقل کنند و مسافت‌های طولانی‌تری را پوشش دهند، زیرا بسته‌ها در مسیر تعیین شده، منتشر می‌شوند. این رفتار می تواند به حفظ سلامت و افزایش عمر باتری کمک کند زیرا به انرژی انتقال زیادی، نیاز نیست. در نهایت، بسته هایی که برای اتصال به شبکه جهانی وب ضروری هستند، باید به یک نقطه دسترسی هدایت شوند. در همه موارد باید امنیت رعایت شود.

امنیت

گاهی اوقات، یک نقض امنیتی می تواند فقط آزاردهنده باشد (و خطری در پی نداشته باشد)، مثلاً اگر شخصی تلویزیون هوشمند شما را هک کند و کانال را تغییر دهد. اما گاهی موضوع می تواند جدی‌تر باشد، مانند هک کردن یک سیستم پزشکی خانگی. با این تهدیدات می توان به چند روش مقابله کرد، اما رایج ترین استراتژی رمزگذاری است.

الگوریتم ها و استانداردهای رمزگذاری بسیاری وجود دارد که برخی ساده و برخی بسیار پیچیده اند. پروتکل های بی سیم مانند Zigbee و BLE روش های مختلفی برای محافظت رمزگذاری شده، دارند. ZigBee از کلیدهای AES ( 128 بیتی) استفاده می کند و در لایه های برنامه ها و همچنین لایه های MAC موثر است. بلوتوث کم انرژی (BLE) چهار لایه امنیت را فراهم می کند:

توابع امنیتی شتاب‌دهنده سخت‌افزاری (Hardware-accelerated security functions) می‌توانند توابع امنیتی را از سیستم عامل، تخلیه و پردازنده‌ها را بسیار مطلوب‌تر کنند. رمزگذاری سخت افزاری، رمزگشایی، تولید کد هش، ژنراتورهای توالی شبه تصادفی و سایر بلوک ها در سخت افزار با سرعت رعد و برق عمل می کنند اما پیاده سازی در نرم افزار زمان بیشتری می برد. این امر، زمان تأخیر را اضافه می کند و برنامه نویس را ملزم می کند تا کد بیشتری تولید و اشکال زدایی کند.

علاوه بر حفاظت از داده ها در زمان اجرا، یک لایه امنیتی دیگر نیز باید وجود داشته باشد که به آن "بوت یا راه اندازی امن" می گویند. با راه‌اندازی ایمن، سیستم عامل بارگذار بوت (boot loader) محافظت و قفل می‌شود و از بازنویسی این کد حیاتی و هدایت مجدد عملکرد آن توسط دیگری، جلوگیری می‌کند. به طور معمول، سیستم عامل محافظت نشده هنگام راه اندازی، پردازنده را پیش می برد و اگر به نحوی در فلش جایگزین شود، سیستم به خطر می افتد. راه‌اندازی امن از دستورالعمل‌های بوت اولیه به شدت رمزگذاری شده استفاده می‌کند، که از امضای دیجیتال برای احراز هویت لایه بعدی کد راه‌اندازی، استفاده می‌کند.

رویا به حقیقت می پیوندد

بسیاری از سازندگان دستگاه با درک مسیر مطمئنی که طراحان هنگام انتخاب یک میکروکنترلر/ریزپردازنده ایده آل باید طی کنند، میکروکنترلرها/ریزپردازنده ها را برای این بازار عظیم به منظوراستفاده در اینترنت اشیا، اتوماسیون ساختمان، خودرو و کنترل صنعتی ارائه می کنند. این برنامه ها به چیزی بیش از یک پردازنده ساده نیاز دارند اما به یک پردازنده فوق العاده نیاز ندارند. در حالی که زمان توسعه باید سریع باشد، هزینه و اندازه عموماً در لیست محدودیت‌ها قرار دارند. یکی از بهترین راه‌ها برای بکارگیری پردازنده‌ها و تجهیزات جانبی مورد نیاز، استفاده از راه‌حل سیستم روی تراشه (SoC) است. این واحدهای مدولار را می توان توسط یک OEM برای اجراهای کمی کوچک یا برای نمونه سازی نسخه سفارشی حجم بالای خود، استفاده کرد.

کلید اصلی، خانواده پردازنده های PIC32CX-BZ3 با فرکانس 64 مگاهرتز است که:

شکل 1 ( WBZ351)، ماژول های WBZ35x را نمایش می دهد که دارای یک فرستنده-گیرنده بلوتوث کم انرژی 5.2 کاملا سازگار است. فرستنده و گیرنده همچنین دارای گواهی Zigbee 3.0 با بسته های نرم افزاری است که حول چارچوب قوی MPLAB Harmony v3 ساخته شده است.

همچنین شتاب دهنده امنیتی مبتنی بر سخت افزار و سخت افزار حیاتی عمومی حائز اهمیت هستند (شکل 2). رمزگذاری امنیتی AES و تولید کننده کد HASH نیز برای ایجاد یک محیط اجرای امن گنجانده شده است. رویارویی چرخه عمر ضد بازگشت و سیستم عامل قابل خواندن، سطوح محافظت بیشتری را ارائه می کند.

نتیجه

وقتی صحبت از اینترنت اشیا و محیط های هوشمند می شود، طراحان کار پیچیده ای دارند. آنها باید اتصال بی سیم را با اقدامات امنیتی سختگیرانه ادغام کنند. اینجاست که بلوتوث کم انرژی و Zigbee وارد می‌شوند. این راه‌حل‌ها می‌توانند مناطق وسیعی را با شبکه‌های مش پوشش دهند در حالی که انرژی کمتری مصرف می‌کنند. با گنجاندن قابلیت‌های بوت امن و لمس خازنی، طراحان می‌توانند مرحله ایده تا بازار را تسریع کنند و به طراحان دیگر اجازه دهند تا نیازهای امنیت و تعامل با کاربر را در دستگاه‌های اینترنت اشیا امروزی برآورده کنند.

خانواده پردازنده های PIC32CX-BZ3 همه چیز مورد نیاز از جمله گزینه های اتصال پیشرفته و ویژگی های امنیتی مبتنی بر سخت افزار را در یک قطعه، ادغام می کند. با استفاده از راه‌حل‌های قدرتمند، طراحان می‌توانند اکوسیستم‌های پیچیده مدرن اینترنت اشیا را به سمت ایجاد محیط های هوشمند ایمن و کاربر پسند سوق دهند.