如何調(diào)整現(xiàn)有設(shè)計(jì)使之應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）

　　對(duì)于許多人來(lái)說(shuō)，當(dāng)前聯(lián)網(wǎng)家電數(shù)量的激增讓人回想起20世紀(jì)90年代越來(lái)越多的個(gè)人計(jì)算機(jī)連入互聯(lián)網(wǎng)的情形。當(dāng)時(shí)，關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)僅僅是一個(gè)噱頭，還是確實(shí)會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生持久影響，諸如此類(lèi)的爭(zhēng)論此起彼伏。如今，聯(lián)網(wǎng)PC和手機(jī)已被認(rèn)為是必不可少的設(shè)備，許多人預(yù)見(jiàn)到聯(lián)網(wǎng)家電在全世界普及將成為必然趨勢(shì)。

　　能夠從全世界任何地方開(kāi)啟咖啡機(jī)似乎并不是改變生活的技術(shù)，但是咖啡機(jī)僅僅是家庭物聯(lián)網(wǎng)革命的起點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)將成為在電器領(lǐng)域取得創(chuàng)新發(fā)展和尋求商機(jī)的基礎(chǔ)。機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步只會(huì)加速這一發(fā)展進(jìn)程。從電器和傳感器收集原始數(shù)據(jù)的能力將開(kāi)啟一個(gè)全新的世界，豐富的用例和機(jī)遇將接踵而至。

　　一些設(shè)計(jì)人員不確定是否要參與物聯(lián)網(wǎng)革命，因?yàn)樗麄儞?dān)心構(gòu)建帶有物聯(lián)網(wǎng)連接功能的嵌入式設(shè)計(jì)會(huì)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。而現(xiàn)實(shí)情況是，這些需求很容易實(shí)現(xiàn)。支持物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品通常僅包含三個(gè)元素：處理器或單片機(jī)（“智能”元素）、網(wǎng)絡(luò)控制器（“連接”元素）以及確保與云安全通信的方法（“安全”元素）。

　　由于大多數(shù)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)投入了大量時(shí)間和精力來(lái)打造出色的產(chǎn)品，因此重復(fù)使用大多數(shù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)工作可帶來(lái)極大的優(yōu)勢(shì)。通常，僅需將連接元素和安全元素添加到現(xiàn)有設(shè)計(jì)中即可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)連接。無(wú)需從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)解決方案，而是可以通過(guò)快速轉(zhuǎn)換現(xiàn)有設(shè)計(jì)來(lái)連接到物聯(lián)網(wǎng)。可以通過(guò)采用軟件編程領(lǐng)域公認(rèn)的技術(shù)高效完成這項(xiàng)任務(wù)，從而簡(jiǎn)化和加速開(kāi)發(fā)過(guò)程。

　　分解挑戰(zhàn)，逐一擊破

　　嵌入式設(shè)計(jì)人員著手使現(xiàn)有產(chǎn)品能在物聯(lián)網(wǎng)中運(yùn)行的任務(wù)時(shí)，可以向軟件編程人員學(xué)習(xí)一些技巧。面對(duì)復(fù)雜編程挑戰(zhàn)的編程人員一直以來(lái)都采用自上而下的設(shè)計(jì)方法或模塊化編程。這種方法涉及將較大的問(wèn)題分解為較小的、更易于管理的子問(wèn)題，而這些子問(wèn)題又可以分解為更小的待處理任務(wù)。這是一種強(qiáng)大且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的方法，能夠解決單一代碼難以處理的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。那么，如何將這種方法使用到嵌入式硬件系統(tǒng)中呢？

　　事實(shí)證明，嵌入式系統(tǒng)工程師可以通過(guò)對(duì)其系統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)行模塊化處理來(lái)獲得同樣的好處。除了面臨純粹的編程挑戰(zhàn)之外，嵌入式系統(tǒng)通常還需要符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)并經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的認(rèn)證流程。認(rèn)證后更改軟件或硬件可能需要重新認(rèn)證產(chǎn)品。僅出于這個(gè)原因，將需要認(rèn)證的部分拆分為多個(gè)子系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)巨大的優(yōu)勢(shì)。這樣，一個(gè)子系統(tǒng)中的缺陷將不會(huì)影響其他子系統(tǒng)的性能。

　　例如，許多設(shè)計(jì)人員希望為新一代現(xiàn)有產(chǎn)品添加安全的互聯(lián)網(wǎng)連接，以改善用戶體驗(yàn)及方便添加各種功能，包括遠(yuǎn)程診斷、監(jiān)視功能、自動(dòng)履行服務(wù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)收集，從而為未來(lái)的產(chǎn)品增強(qiáng)做好計(jì)劃。這種支持物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品需要以下三個(gè)主要功能：1）原始應(yīng)用；2）與互聯(lián)網(wǎng)的連接；3）一種保護(hù)應(yīng)用的方法。如圖1所示，這種支持物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用本質(zhì)上是添加了安全功能和連接功能的原始應(yīng)用。

　　圖1：支持物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用包括原始應(yīng)用、安全功能和連接功能

　　從實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)看，這種設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)可分為三個(gè)子任務(wù)：原始應(yīng)用程序代碼可重復(fù)使用，僅添加了安全功能和連接功能。

　　不過(guò)，對(duì)于工程師而言，從頭開(kāi)始添加安全功能和互聯(lián)網(wǎng)連接功能都很復(fù)雜。此外，將新功能集成到現(xiàn)有應(yīng)用程序中可能會(huì)干擾現(xiàn)有解決方案，從而降低組合應(yīng)用程序的質(zhì)量。開(kāi)發(fā)人員通常會(huì)編寫(xiě)針對(duì)當(dāng)前應(yīng)用程序進(jìn)行了高度優(yōu)化的代碼。因此，很難保證在添加時(shí)序關(guān)鍵連接功能和計(jì)算任務(wù)繁重的安全功能的同時(shí)，又保證更新后的產(chǎn)品達(dá)到相同的性能水平標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖2說(shuō)明了這種組合方法。所有功能都作為單個(gè)解決方案實(shí)現(xiàn)，這增加了編寫(xiě)和調(diào)試應(yīng)用程序的復(fù)雜性。一部分代碼中的缺陷可能會(huì)影響其他關(guān)鍵功能的時(shí)序和性能，這可能會(huì)使簡(jiǎn)單的缺陷造成負(fù)面影響，進(jìn)而導(dǎo)致需要進(jìn)行重新認(rèn)證。

　　圖2：在此集成解決方案中，所有代碼和功能都集成在單個(gè)器件中，這會(huì)增加代碼復(fù)雜性并延長(zhǎng)代碼開(kāi)發(fā)時(shí)間

　　采用模塊化方法將使設(shè)計(jì)人員能夠保持其現(xiàn)有代碼庫(kù)和IP不變，僅根據(jù)需要添加連接和安全功能。

　　使用這種方法，可以將安全和連接功能實(shí)現(xiàn)為單獨(dú)的軟件和硬件任務(wù)，從而節(jié)省大量時(shí)間，并減少給定產(chǎn)品所需的工程師數(shù)量。該方法還可更方便地重復(fù)使用代碼和系統(tǒng)，從而提供了更大的靈活性。例如，設(shè)計(jì)人員可能希望同時(shí)提供同一產(chǎn)品的Wi-Fi?和低功耗藍(lán)牙（BLE）兩種型號(hào)。在這種情況下，模塊化方法可快速、方便地實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。

　　圖3：借助模塊化解決方案，設(shè)計(jì)人員可以重復(fù)使用現(xiàn)有應(yīng)用程序，并將安全功能和連接功能隔離為與主應(yīng)用程序無(wú)關(guān)的更小、更易于管理的任務(wù)

　　模塊化方法的優(yōu)點(diǎn)是，在向產(chǎn)品添加物聯(lián)網(wǎng)連接時(shí)，不會(huì)丟失任何專(zhuān)注于優(yōu)化和調(diào)整現(xiàn)有系統(tǒng)的工作。設(shè)計(jì)人員可以輕松添加所需的功能，而不會(huì)影響系統(tǒng)的其他部分。

　　為了簡(jiǎn)化過(guò)程，可以選擇經(jīng)過(guò)認(rèn)證的模塊實(shí)現(xiàn)安全功能和無(wú)線通信。這將極大縮短認(rèn)證時(shí)間以及新產(chǎn)品上市所需的時(shí)間。Microchip的ATECC608A器件就是一種經(jīng)過(guò)認(rèn)證的安全元件。此器件可處理與密鑰和證書(shū)的驗(yàn)證以及安全存儲(chǔ)相關(guān)的所有任務(wù)，無(wú)需編寫(xiě)任何代碼即可提供安全的解決方案。同樣，經(jīng)過(guò)認(rèn)證的無(wú)線模塊可執(zhí)行安全連接到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所需的所有操作。

　　此外，使用經(jīng)過(guò)認(rèn)證的模塊實(shí)現(xiàn)安全功能和無(wú)線功能時(shí)，不需要設(shè)計(jì)人員是安全或通信領(lǐng)域的專(zhuān)家。這些模塊包含所有必需的代碼段，通常由通過(guò)UART、SPI或I2C等串行接口發(fā)送的簡(jiǎn)單命令控制。

　　為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并縮短上市時(shí)間，諸如Microchip AVR-IoT WG開(kāi)發(fā)板之類(lèi)的開(kāi)發(fā)板包含了這些模塊，以實(shí)現(xiàn)安全且易于部署的物聯(lián)網(wǎng)連接。利用這些工具，工程師只需花費(fèi)30秒并通過(guò)幾次點(diǎn)擊便可將現(xiàn)有產(chǎn)品連接到Google Cloud IoT Core，然后開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。

　　圖4：AVR-IoT WG開(kāi)發(fā)板結(jié)合了AVR?單片機(jī)、安全元件IC和經(jīng)過(guò)認(rèn)證的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)控制器，可幫助設(shè)計(jì)人員在幾分鐘內(nèi)完成聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的原型設(shè)計(jì)

　　如果能夠?qū)⒓译姾拖M(fèi)產(chǎn)品連接到云，無(wú)論是為人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用提供大數(shù)據(jù)，還是僅提供一種執(zhí)行安全遠(yuǎn)程固件更新的更安全方法，其潛在的價(jià)值都是巨大的。通過(guò)分解挑戰(zhàn)和使用經(jīng)過(guò)認(rèn)證的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)安全和通信功能，設(shè)計(jì)人員可以方便、快捷地調(diào)整當(dāng)前設(shè)計(jì)來(lái)利用這些機(jī)會(huì)。

　　作者：Microchip Technology Inc.

　　業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理（EMEA）

　　Arild Rodland