基于蜂窩技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)平臺電路設(shè)計(jì)

得益于硬件制造商和蜂窩服務(wù)提供商的新興解決方案，蜂窩技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)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(fā)人員需設(shè)法應(yīng)對低級握手協(xié)議和更高級別的服務(wù)協(xié)議，且同時(shí)要確保安全實(shí)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)仍面臨嚴(yán)重延遲。

本文簡要回顧了蜂窩技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的有效連接選項(xiàng)而興起的背后因素，并討論了其實(shí)現(xiàn)面臨的挑戰(zhàn)。然后會(huì)介紹 STMicroelectronics 提供的一個(gè)現(xiàn)成的蜂窩開發(fā)平臺，并展示它如何用于解決實(shí)際連接問題，包括對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越來越重要的高級通信和安全性。

物聯(lián)網(wǎng)的無線選擇

無線連接已成為許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基本要求。盡管存在各種可用無線技術(shù)，但技術(shù)的選擇通常主要取決于對數(shù)據(jù)速率和傳輸范圍的要求（圖 1）。

雖然藍(lán)牙、Zigbee 和 Wi-Fi 繼續(xù)在短距離通信中占據(jù)主導(dǎo)地位，但許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要達(dá)到的物理距離遠(yuǎn)非這些技術(shù)所能及。對于這些應(yīng)用，新興的低功耗廣域網(wǎng) （LPWAN） 技術(shù)（如 LoRaWAN，Sigfox 等）可滿足范圍要求，但通常無法支持更高的數(shù)據(jù)速率。

面向物聯(lián)網(wǎng)的 LTE

商用蜂窩提供商通過擴(kuò)充 LTE 網(wǎng)絡(luò)迅速進(jìn)軍物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，提供的帶寬和范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他常用無線連接選項(xiàng)。它們還具有使用許可頻帶的優(yōu)勢，這些頻帶不易受到干擾。隨著第三代合作伙伴計(jì)劃 （3GPP） LTE 版本 13 中定義的窄帶 LTE 服務(wù)變得可用，即使對于功率受限的設(shè)備，蜂窩也已經(jīng)成為可行的選擇。

更為人所熟悉的 LTE 服務(wù)滿足了對視頻流所需的高帶寬網(wǎng)絡(luò)日益增長的需求，而包括 LTE CAT M1 和窄帶物聯(lián)網(wǎng) （NB-IoT） 在內(nèi)的窄帶 LTE 服務(wù)對帶寬和功能性的要求較為適中。這些更簡單的要求進(jìn)而使 LTE 收發(fā)器制造商能夠構(gòu)建出相應(yīng)的解決方案，以滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員對更易于在資源受限型設(shè)計(jì)中集成的低功耗設(shè)備的需求。

LTE 收發(fā)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(wù)則實(shí)現(xiàn)了更廣泛的地理覆蓋范圍，這兩者相結(jié)合，使得蜂窩連接成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員的可行選擇。實(shí)際上，開發(fā)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(yùn)營商認(rèn)證，可以為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和其他連接應(yīng)用快速開發(fā)蜂窩連接。這些 CAT M1 和 NB-IoT 模塊將嵌入式處理器與收發(fā)器和完整的 RF 信號路徑結(jié)合在了一起，包括了輸出功率放大器 （PA）、輸入放大器、交換機(jī)和濾波器（圖 2）。

對于開發(fā)人員而言，將這些高度集成的設(shè)備整合至定制設(shè)計(jì)中時(shí)，在硬件和軟件層面都相對簡單。這些模塊通常支持一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串行接口，并支持 GPIO、天線檢測和 SIM 卡接口等。因此，開發(fā)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(shù)收發(fā)器模塊一樣，自最早期的計(jì)算機(jī)調(diào)制解調(diào)器開始，窄帶 LTE 模塊就能響應(yīng)所用的相同類型 AT 命令序列協(xié)議。但是，這些 LTE 模塊的功能性獲得了明顯提升，允許開發(fā)人員使用單個(gè) AT 命令執(zhí)行更復(fù)雜的操作。使用 u-blox 的 SARA-R410M 模塊，開發(fā)人員可以從主機(jī)發(fā)送 AT + USOCO = 0、“8.8.8.8”、1111 等命令，以建立與遠(yuǎn)程服務(wù)器的對等網(wǎng)絡(luò)連接。在這種情況下，模塊將完成在端口 1111 上與遠(yuǎn)程主機(jī) 8.8.8.8 建立連接（識別為套接字 0）所需的事務(wù)處理序列，自動(dòng)執(zhí)行 TCP 連接的握手協(xié)商。

雖然硬件和命令接口在基礎(chǔ)級別很簡單，但在更高級別的通信協(xié)議中使用它們時(shí)要復(fù)雜得多。物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員可能發(fā)現(xiàn)自己很難實(shí)現(xiàn)許多應(yīng)用所需的高級協(xié)議和服務(wù)。但是，使用 STMicroelectronics 的 P-L496G-CELL02 開發(fā)套件和相關(guān)軟件，開發(fā)人員可以更快速地在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中部署蜂窩連接。

蜂窩開發(fā)平臺

P-L496G-CELL02 套件提供完整的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，包括 MCU 主機(jī)板、LTE 模塊擴(kuò)展板、天線和 SIM 卡。作為 STMicro 的 Discovery 開發(fā)板系列的一員，主機(jī)板基于 STMicro STM32L496AGI6P MCU 構(gòu)建而成，并提供板載調(diào)試器以及麥克風(fēng)、LED 和用作基本用戶界面功能的按鈕。

雖然該開發(fā)板相對簡單，但 STM32L496 MCU 可提供廣泛的功能。MCU 基于帶浮點(diǎn)單元 （FPU） 的 Arm? Cortex?-M4 32 位內(nèi)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(jīng)常使用的多個(gè)代碼映像提供了充足的容量。全套集成模擬和數(shù)字外設(shè)支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、電機(jī)控制等一系列典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。

為了滿足 MCU 本身無法提供的要求，開發(fā)人員可以使用主機(jī)板的 Arduino 接口，通過各種可用的 Arduino 盾板所具備的功能來增強(qiáng)主機(jī)板。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中蜂窩連接的新興應(yīng)用之一是將本地物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的小型網(wǎng)絡(luò)連接到云端。對于這種使用場景，開發(fā)人員可以使用 P-L496G-CELL02 套件作為網(wǎng)關(guān)，通過蜂窩服務(wù)連接到云端，并通過 Arduino 盾板提供的短距離無線連接選項(xiàng)連接到本地設(shè)備。

例如，開發(fā)人員可以通過添加 Inventek Systems 的 ISMART43340-C 盾板來支持 Wi-Fi 和藍(lán)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(dāng)然，此類蜂窩網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵部分是蜂窩連接。借助 STMicro 的 P-L496G-CELL02 套件，開發(fā)人員只需將 LTE 模塊擴(kuò)展板插入主機(jī)板的 STMod+ 連接器，即可使用 LTE CAT M1 或 LTE NB-IoT 運(yùn)營商服務(wù)支持蜂窩連接。為了補(bǔ)充此蜂窩硬件平臺，STMicro 提供了一個(gè)廣泛的軟件環(huán)境，可演示蜂窩連接，并成為構(gòu)建定制應(yīng)用的基礎(chǔ)。

軟件環(huán)境

STMicro 的軟件環(huán)境建立在其 STM32Cube 軟件架構(gòu)之上，該架構(gòu)提供基于中間件組件的應(yīng)用軟件支持，包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、USB 支持、文件系統(tǒng)服務(wù)等。中間件層位于硬件抽象層 （HAL） 之上，可實(shí)現(xiàn)跨越不同 STMicro MCU 系列的可移植性。在開發(fā)期間，開發(fā)人員可使用 STMicro 的 STM32CubeMX 工具中的圖形向?qū)碇付ㄅ渲?，該工具可自?dòng)生成 C 語言初始化代碼。

開發(fā)人員可在 STM32Cube 環(huán)境基準(zhǔn)功能的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步添加擴(kuò)展包，從而提供所需的庫和軟件示例以支持特定功能區(qū)域。值得一提的是，對于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員來說，兩個(gè) STM32Cube 擴(kuò)展包所支持的功能對任何連網(wǎng)的應(yīng)用都很重要：STMicro X-CUBE-CLD-GEN 物聯(lián)網(wǎng)云軟件擴(kuò)展和 STMicro X-CUBE-SBSFU（安全引導(dǎo)和安全固件更新）軟件擴(kuò)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(xiàng)目的 MQTT 服務(wù)、mbed TLS 和 lwIP TCP/IP 堆棧（圖 3）。該擴(kuò)展包還提供樣例應(yīng)用程序，演示如何使用 MQTT 和 HTTP 協(xié)議連接到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，包括 Eclipse Mosquitto、Litmus Automation 和 Ubidots。

包含在 X-CUBE-CLD-GEN 發(fā)行版中的 MQTT 樣例應(yīng)用程序 GenericMQTTXcubeSample.c 提供了實(shí)現(xiàn)基于 MQTT 的云連接所需代碼的詳細(xì)示例。除了各種輔助函數(shù)外，該模塊還演示了打開 MQTT 連接、構(gòu)建消息以及將消息發(fā)布到 MQTT 服務(wù)器所需的軟件設(shè)計(jì)模式。

STMicro 使設(shè)置基于 MQTT 的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)變得更加容易。P-L496G-CELL02 套件配有 EMnify 蜂窩 SIM 卡，并可免費(fèi)訂購 EMnify 網(wǎng)絡(luò)三個(gè)月。使用此 SIM 卡，開發(fā)人員可以將 CELL02 套件連接到通過 EMnify 網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用服務(wù)器相連的虛擬專用網(wǎng)絡(luò) （VPN）。在此，可使用一個(gè)在開發(fā)環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)上或生產(chǎn)環(huán)境中的公共網(wǎng)絡(luò)主機(jī)上運(yùn)行的 VPN 網(wǎng)關(guān)，通過 OpenVPN 隧道直接在連網(wǎng)設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（圖 4）。通過配置 VPN 網(wǎng)關(guān)以重定向流量，這些連接可以直接在應(yīng)用服務(wù)器和設(shè)備之間進(jìn)行，而無需網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換 （NAT）。

X-CUBE-CLD-GEN 擴(kuò)展解決了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中云連接的基本要求，而 X-CUBE-SBSFU 軟件擴(kuò)展則可減輕與云連接相關(guān)的常見來源威脅。STMicro X-CUBE-SBSFU 擴(kuò)展提供了所需的安全固件更新和安全引導(dǎo)功能，阻止意在用受損代碼替換設(shè)備固件的攻擊，這些代碼可使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備淪為進(jìn)一步攻擊物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的工具。

除樣例應(yīng)用程序外，X-CUBE-SBSFU 軟件包還通過兩個(gè)額外的中間件組件（安全引擎和加密庫）擴(kuò)展了 STM32Cube 環(huán)境（圖 5）。安全引擎組件提供處理受保護(hù)代碼和數(shù)據(jù)的服務(wù)，而加密庫則提供用于固件驗(yàn)證和解密的基于軟件的非對稱和對稱加密機(jī)制。

在大多數(shù)系統(tǒng)中，基于軟件的加密可能會(huì)為能夠滲透底層機(jī)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(jī)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(jī)制會(huì)受到內(nèi)置于 MCU 硬件的硬件式基本安全功能的保護(hù)。

STM32L496 MCU 具有多種基于硬件的存儲器保護(hù)機(jī)制，其中包括存儲器保護(hù)單元 （MPU），允許開發(fā)人員為不同的閃存和 SRAM 區(qū)域指定不同的訪問權(quán)限。例如，SBSFU 代碼會(huì)配置 MPU，以確保在執(zhí)行 SBSFU 代碼時(shí)不執(zhí)行來自其他存儲器區(qū)域的代碼。舉例來說，在執(zhí)行用于固件驗(yàn)證或安全引導(dǎo)加載的代碼之后，SBSFU 擴(kuò)展會(huì)重新配置 MPU，以允許正常執(zhí)行用戶應(yīng)用程序。

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

作為進(jìn)一步的安全措施，STM32L496 MCU 包含一個(gè)內(nèi)置防火墻機(jī)制，可保護(hù)受信任的代碼和數(shù)據(jù)免受防火墻之外代碼的任何訪問。通過防火墻訪問受保護(hù)區(qū)域僅能通過單個(gè)調(diào)用門進(jìn)行，該調(diào)用門是位于代碼段基址第二個(gè)字的單個(gè)入口點(diǎn)。調(diào)用門機(jī)制提供可訪問受保護(hù)代碼和數(shù)據(jù)的唯一途徑，任何通過調(diào)用門之外的途徑訪問受保護(hù)存儲器的嘗試都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位。

SBSFU 擴(kuò)展使用這些硬件機(jī)制來保障基于軟件的中間件，能夠可靠地確保固件驗(yàn)證和安全引導(dǎo)。例如，要加載加密認(rèn)證機(jī)制所需的密鑰，SBSFU 代碼使用調(diào)用門函數(shù)打開防火墻，并運(yùn)行受 PCRP 保護(hù)的僅執(zhí)行代碼，該代碼將密鑰從閃存移動(dòng)到受保護(hù)的 SRAM 區(qū)域，供庫的加密算法使用（圖 6）。

開發(fā)人員使用 SBSFU 安全引擎 （SE） 應(yīng)用編程接口 （API） 來激活這些均基于硬件的安全機(jī)制，以訪問受保護(hù)的代碼和數(shù)據(jù)。SE 接口本質(zhì)上是此調(diào)用門機(jī)制的包裝器，提供了一種相對簡單的機(jī)制，以在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)安全功能。要訪問受保護(hù)的閃存，用戶應(yīng)用會(huì)調(diào)用 SE 接口，該接口可確保關(guān)于使用調(diào)用門、訪問安全引擎、清理堆棧和恢復(fù)防火墻的正確操作順序（圖 7）。開發(fā)人員唯一的責(zé)任是確保在進(jìn)入此受保護(hù)空間之前已禁用中斷，并在退出時(shí)重新啟用中斷。

開發(fā)人員可以檢查 X-CUBE-SBSFU 說明文檔和源代碼，以查找關(guān)鍵設(shè)計(jì)模式，包括使用調(diào)用門機(jī)制的基本方法。對受保護(hù)存儲器區(qū)域的任何調(diào)用均以調(diào)用 SE 接口 SET_CALLGATE（） 函數(shù)開始，該函數(shù)將指針設(shè)置為 CallGate 函數(shù)，然后調(diào)用 SE_EnterSecureMode（） 以禁用系統(tǒng)中斷。從這一點(diǎn)開始，對 SE 接口的后續(xù)調(diào)用使用調(diào)用門指針來訪問受保護(hù)的代碼和數(shù)據(jù)。最后，調(diào)用序列以對 SE_ExitSecureMode（） 的調(diào)用來結(jié)束，其中至少包括啟用系統(tǒng)中斷。

除了這些低級別機(jī)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(dǎo)的實(shí)現(xiàn)。開發(fā)人員可以利用這些相同的代碼模式，使用 SE API 函數(shù)（如 SE_CRYPTO_Encrypt_Init，SE_CRYPTO_Decrypt_Init 和 SE_CRYPTO_AuthenticateFW_Init 及相關(guān)函數(shù)）實(shí)現(xiàn)自定義身份驗(yàn)證和加密功能。

總結(jié)

LTE 蜂窩技術(shù)正迅速成長為長距離、高可用性物聯(lián)網(wǎng)連接的首選方案。盡管高級 LTE 模塊簡化了硬件設(shè)計(jì)，但實(shí)現(xiàn)更高級別的功能仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。使用 ST P-L496G-CELL02 LTE 蜂窩開發(fā)套件和附帶的軟件，開發(fā)人員可以快速利用窄帶 LTE 連接實(shí)現(xiàn)安全的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。