基于Azure Sphere的安全防盜設(shè)備

描述

一、概念

貴重物品，如博物館中的藝術(shù)品或公共場所的各種設(shè)備，需要防止被盜。傳統(tǒng)上，這是由專門的安全人員完成的。

在這個項目中，我將展示一個連接互聯(lián)網(wǎng)的防盜設(shè)備，它可以用作安全人員的替代品或補(bǔ)充品。

該設(shè)備就像一個支架，但頂板安裝在稱重傳感器上。這樣就可以高精度地監(jiān)控放置在支架上的重量，并且可以快速檢測到任何變化。概念：放置在設(shè)備上的貴重物品

除了重量傳感器外，加速度計和光學(xué)傳感器等輔助傳感器還可用于檢測振動或其他可疑活動。

我構(gòu)建的概念驗證設(shè)備基于Avnet 的 Azure Sphere MT3620 入門套件，并使用 3 Kg 稱重傳感器作為其主要傳感器，以及 Sphere 套件的內(nèi)置加速度計：

該設(shè)備已連接互聯(lián)網(wǎng)，可以通過 Azure Central IoT 應(yīng)用程序輕松遠(yuǎn)程監(jiān)控。使用自動規(guī)則檢測盜竊并采取行動。

Azure Sphere 平臺提供的創(chuàng)新安全基礎(chǔ)架構(gòu)使設(shè)備軟件無法被篡改。

2. 蔚藍(lán)領(lǐng)域

Azure Sphere 是 Microsoft 用于物聯(lián)網(wǎng)解決方案的安全高級應(yīng)用程序平臺。

它由 3 個主要部分組成：

• 安全的 Azure Sphere MCU 微控制器單元 (MCU) - 目前支持 MediaTek MT3620
• Azure Sphere OS，一個由微軟維護(hù)的基于 Linux 的操作系統(tǒng)
• 基于云的 Azure Sphere 安全服務(wù) (AS3)

目前我們可以使用 3 個官方開發(fā)工具包來試驗 Azure Sphere 平臺：

所有這些都基于聯(lián)發(fā)科與微軟合作設(shè)計的聯(lián)發(fā)科 MT3620 MCU。

MCU具有以下主要特點：

• 1 x ARM Cortex A7 內(nèi)核，用于高級應(yīng)用
• 2 x ARM Cortex M4 內(nèi)核用于實時控制
• 雙頻 Wifi 子系統(tǒng)，2.4 + 5 GHz，支持
• I/O: 76 x GPIO, 12 x PWM, 5 x I2C / SPI / UART, 8 x 12-bit ADC等

標(biāo)準(zhǔn) MCU 的東西。到目前為止沒有什么有趣的.. :)

讓 MT3260 有趣的是內(nèi)置的 Microsoft Pluton 安全子系統(tǒng)，它具有以下特點：

• 專用的 M4F 處理器
• 真正的隨機(jī)數(shù)生成器
• 用于不同加密任務(wù)的加速器（SHA、AES、EEC）
• 制造過程中芯片內(nèi)生成的兩個 EEC 私鑰/公鑰對

Pluton 還實現(xiàn)了一個帶有遠(yuǎn)程認(rèn)證的安全啟動系統(tǒng)。這意味著已使用 Azure Sphere 安全服務(wù) (AS3) 驗證加載的啟動映像（OS + 應(yīng)用程序）的真實性。如果加載的圖像有效/最新，AS3 會為設(shè)備頒發(fā)短期客戶端證書（~1 天有效期），然后可用于連接到其他在線服務(wù)。如果加載的圖像無效/最新，則不會頒發(fā)客戶端證書，從而強(qiáng)制設(shè)備進(jìn)行更新。

在這個項目中，我們將使用 Avnet MT3620 入門套件，這是一個基于 Azure Sphere 模塊 AES-MS-MT3620-MG 的開發(fā)套件：

3. 開始

要開始使用 Avnet Azure Sphere MT3620 入門套件，我們需要考慮以下幾點：

• 運行 Windows 10 （周年更新或更高版本）的 PC
• Visual Studio 2017 （社區(qū)版作品）

> Sphere SDK 安裝

現(xiàn)在我們需要下載并安裝Azure Sphere SDK for Visual Studio Preview軟件：

這將安裝與 Azure Sphere 模塊通信所需的驅(qū)動程序和工具。

> 領(lǐng)取設(shè)備

在此之后，我們可以按照Azure Sphere 文檔入門頁面中的步驟進(jìn)行操作。

要使用 Azure Sphere，我們需要一個 Azure Active Directory 工作/學(xué)校帳戶。這可以從Azure 門戶的Azure Active Directory / 用戶部分創(chuàng)建。新創(chuàng)建的帳戶應(yīng)該類似于：

下一步是領(lǐng)取您的設(shè)備。這會將您的設(shè)備永久鏈接到我們之前創(chuàng)建的帳戶 (!)，從而將設(shè)備的訪問權(quán)限鎖定給您的租戶。要聲明設(shè)備，應(yīng)從 Azure Sphere 開發(fā)人員命令提示符執(zhí)行以下命令

### Sign in to Azure Sphere with previously created account
$ azsphere login

### Create a new Azure Sphere tenant
$ azsphere tenant create --name sphere

### Claim you device
$ azsphere device claim

> Wifi 和更新

現(xiàn)在我們可以配置Sphere 模塊使用的 Wifi 網(wǎng)絡(luò)。從 Azure Sphere 開發(fā)人員命令提示執(zhí)行以下命令：

### Add a new Wifi network
$ azsphere device wifi add --ssid  --key 

### Check that the Sphere module is connected to the Wifi network
$ azsphere device wifi show-status

我們能做的最后一件事是更新設(shè)備的 Azure Sphere 操作系統(tǒng)：

### Check if any update are available:
$ azsphere device show-ota-status

### Download and install the update:
$ azsphere device recover

4.例子

在此之后我們可以嘗試構(gòu)建并運行 Blink 應(yīng)用程序：

• 為了能夠從 Visual Studio 等 IDE 運行/調(diào)試應(yīng)用程序，我們需要在 Azure Sphere 設(shè)備中啟用調(diào)試。這是通過從 Azure Sphere 開發(fā)人員命令提示符執(zhí)行以下命令來完成的：

### Enable debugging
$ azsphere device prep-debug

• 我們還可以為 RT Core 應(yīng)用程序啟用調(diào)試：

### Enable debugging
$ azsphere device prep-debug --enablertcoredebugging

> 賓基

然后，我們可以從Visual Studio使用Azure Sphere Blink模板創(chuàng)建新項目：

如果我們使用遠(yuǎn)程 GDB 調(diào)試器運行項目，Azure Sphere 初學(xué)者工具包的用戶 LED 應(yīng)該開始閃爍。

> 板載傳感器，OLED 顯示屏

接下來我們可以按照 Avnet 員工創(chuàng)建的兩個 Azure Sphere Started-Kit 教程進(jìn)行操作：

• Avnet 的 Azure Sphere 入門套件（開箱即用演示），由Brian Willess 編寫的 3 部分系列
• Avnet Azure Sphere 入門套件：Peter Fenn的高級教程

第一個教程介紹了 Azure Sphere 初學(xué)者工具包參考設(shè)計。第 1 部分涵蓋以下功能：

• 讀取板載傳感器，并在 Visual Studio 的調(diào)試控制臺中打印讀數(shù)（第 1 部分）

本教程的 GitHub 存儲庫是：Avnet/AvnetAzureSphereStarterKitReferenceDesign

第二個教程部分基于第一個教程，添加了以下額外功能：

• 顯示多個信息 128x64 像素 OLED 顯示屏
• 添加 Cortex-M4（實時）應(yīng)用程序
• 控制 MiroE Relay Click 板
• 向 IoT Central 應(yīng)用程序添加更多功能

第二個教程的 GitHub 存儲庫是：CloudConnectKits/Azure_Sphere_SK_ADC_RTApp

我們可以從這些教程中學(xué)到很多東西，而且由于它們是 MIT 許可的，我們可以使用它們的代碼庫作為新項目的起點。

實時和高級應(yīng)用程序

正如我之前提到的，MT3620 SoC 包括：

• 一個 ARM Cortex-A7 內(nèi)核——它運行基于 Linux 的 Sphere OS，也可以運行高級應(yīng)用程序，
• 兩個 ARM Cortex-M4F 內(nèi)核 - 這些可用于執(zhí)行具有實時要求的任務(wù)
• 核心可以相互通信

高級教程的代碼存儲庫包括兩個 Visual Studio 項目：一個用于 A7 應(yīng)用程序核心，一個用于 M4F 實時核心。它還顯示了兩個內(nèi)核如何進(jìn)行通信。

> 云連接

本教程的第 2 部分和第 3 部分涵蓋以下功能：

• 配置 IoT 中心，上傳傳感器數(shù)據(jù)，操作設(shè)備孿生，在時序洞察中可視化數(shù)據(jù)（第 2 部分）
• 使用自定義可視化和控制配置 IoT Central 應(yīng)用程序（第3 部分）

物聯(lián)網(wǎng)中心

IoT 中心是 Azure 云中可用的 IoT 解決方案之一。

要將教程應(yīng)用程序與 IoT 中心一起使用，第一步是從 Azure 門戶創(chuàng)建一個 IoT 中心：

然后我們需要添加一個新設(shè)備：

并從其配置中復(fù)制主連接字符串：

連接字符串需要放在connection_strings.h.

現(xiàn)在，如果我們以 IoT 中心應(yīng)用程序模式運行應(yīng)用程序：

// If your application is going to connect straight to a IoT Hub, then enable this define.
#define IOT_HUB_APPLICATION

我們應(yīng)該能夠看到 Device Twin 更新了我們的傳感器數(shù)據(jù)

物聯(lián)網(wǎng)中心

另一種選擇是在 IoT Central 應(yīng)用程序模式下運行

// If your application is going to connect to an IoT Central Application, then enable this define.  When
// enabled Device Twin JSON updates will conform to what IoT Central expects to confirm Device Twin settings
#define IOT_CENTRAL_APPLICATION

IoT Central 是 Azure 云中可用的另一種物聯(lián)網(wǎng)解決方案，它可以輕松創(chuàng)建基于物聯(lián)網(wǎng)的云應(yīng)用程序，而無需編寫太多代碼。

稍后我將在 Azure IoT Central 應(yīng)用程序部分解釋如何執(zhí)行此操作。

5. 硬件

該設(shè)備由以下電子元件構(gòu)成：

• Azure Sphere MT3620 入門套件
• 連接到 HX711 24 位 ADC 的 3 Kg 稱重傳感器
• 用于 HX711 的 DIY Click 適配器

硬件部分在FreeCAD中建模，由以下部分組成：

• 用一塊廢低密度纖維板制成的底座
• 將稱重傳感器連接到底座的 3D 打印部件
• 安裝在稱重傳感器上的 3D 打印部件。這同時支持頂級 plthe Sphere 入門套件
• 由 2mm 丙烯酸玻璃制成的頂板
• 2 x M5 和 2 x M4 螺絲

由于一切都在 3D 中建模，因此組裝非常容易：

6.軟件

作為在 Azure Sphere Kit 上運行的軟件的基礎(chǔ)，我使用了 Avnet Azure Sphere Starter-Kit 的代碼庫： Peter Fenn的高級教程。

Azure Sphere Kit 運行的軟件分為兩部分：

• 在 A7 應(yīng)用處理器上運行的高級應(yīng)用程序
• 在其中一個 M4 處理器上運行的實時應(yīng)用程序

兩個內(nèi)核上的應(yīng)用程序使用內(nèi)核間通信進(jìn)行連接。

主要思想是將時間敏感任務(wù)（如傳感器處理）運行在 M4 實時內(nèi)核上。然后，負(fù)責(zé)云連接等任務(wù)的高級應(yīng)用程序可以在 A7 應(yīng)用程序處理器上運行。

> A7 高級應(yīng)用

在 A7 應(yīng)用處理器上運行的高級應(yīng)用程序負(fù)責(zé)：

• 讀取 HX711+ 稱重傳感器
• 從加速度計讀取值
• 處理OLED顯示器
• 處理按鈕/ LED
• 與 Azure IoT Central 的云通信
• 與 M4 內(nèi)核的內(nèi)核間通信

負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送到 Azure IoT Central 的代碼部分以及在 OLED 屏幕上顯示數(shù)據(jù)的代碼部分已更新為包含來自新添加的 HX711 稱重傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。

> HX711驅(qū)動

該項目使用 HX711 芯片，一個 24 位 ADC 來測量負(fù)載傳感器傳感器產(chǎn)生的小電壓。

由于沒有現(xiàn)成的支持 MT3260 的 C 驅(qū)動程序，我決定移植現(xiàn)有的 Arduino HX711 庫：https ://github.com/bogde/HX711

將庫從 Arduino 遷移到與 MT3620 一起使用的步驟是：

• 將代碼從 C++ 遷移到 C
• 遷移了 GPIO 部分以使用 MT3620 GPIO 庫

> M4 實時應(yīng)用

結(jié)果證明 HX711 對時序有點敏感。在使用 A7 高級代碼之前，我遇到了一些麻煩。HX711 的時鐘需要外部提供，A7 上的 GPIO 操作有點慢（3-7 us）。由于一些不必要的代碼，時鐘周期超過 60us，HX711 進(jìn)入睡眠模式。

出于這個原因，我決定嘗試將 HX711 驅(qū)動程序代碼卸載到 MT3260 的具有 M4 實時功能的內(nèi)核之一。然后使用 MT3260 MCU 的 A7 和 M4 內(nèi)核之間的內(nèi)核間通信傳輸傳感器數(shù)據(jù)。

注意：實時應(yīng)用程序部分的代碼已經(jīng)完成，但我還沒有成功測試它。我 PC 上的 Azure Sphere SDK 損壞了，但還沒有設(shè)法修復(fù)它。

7. Azure 物聯(lián)網(wǎng)中央應(yīng)用

該項目的 UI 是使用 Azure IoT Central 完成的。

要開始使用 Azure IoT Cental，我們首先需要轉(zhuǎn)到apps.azureiotcentral.com并創(chuàng)建一個新應(yīng)用程序。

> 設(shè)備模板

首先要做的是定義我們從設(shè)備發(fā)送的字段的測量值。

這些是：

• 稱重傳感器測量的重量
• X、Y、Z加速度（G力）
• X、Y、Z角速率

> 創(chuàng)建設(shè)備

接下來我們可以添加我們的設(shè)備：

并為其創(chuàng)建連接：

有了這個，我們可以使用實用程序生成連接字符串：dps-keygen

$ dps-keygen -si: -di: -dk:

Azure IoT DPS Symetric Key Generator v0.3.3
Connection String:

HostName=iotc-2e2dxxxx-xxxx-xxxx-xxxxxxxxxxxxxxx.azure-devices.net;DeviceId=xxxxxxx-xxxx-xxxx-xxxx-xxxxxxxxxxxx;SharedAccessKey=xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx=

生成的連接字符串需要放在connection_strings.h文件中。

> 三圍

在此之后，設(shè)備應(yīng)該能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到 Azure 云，我們應(yīng)該能夠?qū)⑵淇梢暬?/font>

傳感器數(shù)據(jù)

?

> 儀表板

我們還可以配置儀表板，如下圖所示

?

> 規(guī)則與通知

Azure IoT Central 還允許定義不同的規(guī)則并為其分配操作。

例如，我們可以創(chuàng)建規(guī)則來檢測以下內(nèi)容：

• 稱重傳感器測量的重量下降（有人拿走了我們的貴重物品）
• 振動比平時高

貝婁是一個規(guī)則的例子，如果振動達(dá)到兩個高度，就會發(fā)送一封電子郵件：

?

?

?

注意：通常我會將其配置為基于權(quán)重的規(guī)則，但此時 HX711 驅(qū)動程序代碼尚未完全發(fā)揮作用。不幸的是，今天（11 月 30 日）我 PC 上的 Azure Sphere SDK 不知何故損壞了，而且還沒有設(shè)法修復(fù)它。由于這個原因，上面的和其他一些截圖可能已經(jīng)過時了。

8. 未來的工作

這個項目有很多想法/領(lǐng)域可以改進(jìn)。我計劃做的一些是：

• 將 MEMS 和其他傳感器的處理遷移到 ARM M4 實時內(nèi)核
• 實施基于實時中斷的振動檢測
• 嘗試自動設(shè)備配置

另一個有趣的主題是深入研究 Azure Sphere 平臺提供的安全基礎(chǔ)設(shè)施，并了解每個組件的工作原理。

9.資源

項目的源代碼、3D 模型/CAD 文件和其他資源可以在鏈接的 GitHub 存儲庫中找到。

查看我提交給Element14 上的感知世界挑戰(zhàn)賽：基于 Azure Sphere 的安全物聯(lián)網(wǎng)空氣質(zhì)量傳感站

以下是有關(guān) Azure Sphere 的一些有用文章：

• 開始使用Microsoft的 Azure Sphere
• Microsoft 的Azure Sphere 文檔
• Avnet 的 Azure Sphere 入門套件（開箱即用演示）第 1 部分、第 2 部分、第 3 部分，作者：Brian Willess
• Avnet Azure Sphere 入門套件：Peter Fenn的高級教程
• 聯(lián)發(fā)科技 MT3620 產(chǎn)品簡介
• Microsoft Azure Sphere 背后的硬件安全平臺
• 使用Microsoft的 Azure IoT Hub 設(shè)備預(yù)配服務(wù)預(yù)配設(shè)備
• Microsoft對安全 MCU 的剖析
• 微軟為 Azure Sphere 的物聯(lián)網(wǎng)安全子系統(tǒng) Pluton 注冊了商標(biāo)@mspoweruser
• 保護(hù)我們周圍數(shù)十億臺設(shè)備的安全作者：蓋倫亨特博士，微軟

題外話：自動每日注冊

最后一天（11 月 30 日）截圖

?

競賽要求之一是在Avnet 競賽應(yīng)用程序中連續(xù)30 （或 15）天注冊我們的 Azure Sphere 套件。

現(xiàn)在，這個連續(xù) 30 天的要求可能有點棘手。特別是夏天，如果你要去度假并且不想帶筆記本電腦，或者你只是要去一個沒有互聯(lián)網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地方。

我對這個問題的解決方案是使用Macro Toolworks 、Windows Task Scheduler和一些 shell 腳本來自動化該過程。它的工作原理如下：

• 我手動打開入門工具包注冊應(yīng)用程序并完成所有輸入字段
• Azure Sphere Started Kit 連接到 USB 端口
• 使用 Windows Task Scheduler，任務(wù)被安排為每天運行兩次。該任務(wù)喚醒 PC 并執(zhí)行一組操作：

?

?

?

?

1 / 3

?

• Azure Sphere 服務(wù)重新啟動，因為它有時會在計算機(jī)從睡眠中喚醒后變得無響應(yīng)
• 一個 Macro Toolworks 腳本在運行。該腳本模擬鼠標(biāo)移動和點擊。它執(zhí)行以下操作：

?

• 單擊讀取設(shè)備按鈕，因此應(yīng)用程序?qū)⑦B接 Azure Sphere 模塊并讀取其狀態(tài)
• 等待一段時間后，單擊“發(fā)送到服務(wù)器”按鈕。將出現(xiàn)確認(rèn)對話框
• 執(zhí)行截屏的 shell 腳本。屏幕截圖保存在自動同步到 Google 云端硬盤的文件夾中

初學(xué)者工具包注冊 + 用于自動化的腳本

?

• 按下確定按鈕
• 此后，Macro Toolsworks 腳本存在，計算機(jī)再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)

這個過程連續(xù)運行了大約 42 天，直到 9 月 14 日，我認(rèn)為比賽注冊服務(wù)器出現(xiàn)了一些問題，應(yīng)用程序被卡住了。我當(dāng)時決定停止這個過程。

然而，Azure Sphere Started Kit 通過 USB 供電超過 2 個月，仍然可以正常工作。

享受 ！:)