工業 IoT 設計的低功耗、通訊和安全性

功耗和安全性是嵌入式系統設計人員最為關切的兩項要素，尤其是 IoT 感測器命令和控制應用。

對工業 IoT 設計而言，重要的是，微控制器的平均功耗不僅要低，也必須在設計的其他部位提供能達到最低功耗的功能。

針對低功率或僅使用電池供電的應用，Microchip 在 PIC24F 微控制器系列採用的 eXtreme Low-Power (XLP) 技術，能透過 Bluetooth^® Low Energy (BLE) 連線達到超低能量的基本命令與控制通訊，並搭配整合式硬體加密引擎達到額外安全性。

極低功率

越來越多的電子應用要求低功率或採用電池電力，因此節能成為重要課題。 目前的應用必須達到低耗電，在某些極端的案例中，甚至僅憑一顆電池就持續運作超過 20 年。 為了要讓應用達到此程度，採用 Microchip eXtreme Low-Power (XLP) 技術的產品能提供超低睡眠電流，而極低功率應用有 90% 至 99% 的時間都在睡眠狀態。 如圖 1 所示，16 位元 XLP 技術能讓睡眠電流降至 40 nA，且運作電流降至 180 μA/MHz。

圖 1：不同睡眠模式時，PIC24FJ128GB204 的電流消耗量

這類極低功率裝置的典範就是 Microchip 的 PIC24FJ128GB204 微控制器。 此元件具有多種電源管理選項，能大幅降低功率並提供彈性的喚醒資源，例如深度睡眠，能達到幾乎完全斷電的狀態，但能由內部或外部觸發器喚醒，例如當環境感測器需要進行非同步／定期讀數時。 睡眠及閒置模式會選擇性地關閉周邊和／或核心功能以大幅節能，並快速喚醒那些較重要的應用中斷，例如安全相機動作偵測器。 半睡眠模式能讓 CPU 使用比周邊裝置更低的時脈速率運行，而交替時脈模式能立即切換至較低時脈速度，達到選擇性省電效果。 另一種新睡眠模式為低電壓保留睡眠，此時必要電路會由獨立的低電壓穩壓器供電。 此外也具有 Vbat 引腳，能讓元件切換到備用電池，為即時時脈／日曆達到最低功耗。

在電源受限的應用中，擁有能達到極低功率的微控制器，以及多種靈活的睡眠與喚醒模式相當重要。 低功率對於所有的系統功能也很重要，例如通訊功能。

低功耗通訊

感測資料或執行程式碼時，應用需要盡可能快速有效地處理並傳送資訊，然後返回睡眠模式，以便達到最佳化的電池續航力。 許多應用僅需簡單的命令和控制，或從感測器快速更新狀態。 為了滿足這些需求，低功耗藍牙 (BLE) 已經演進到能支援低工作週期的應用。 根據藍牙技術聯盟的規格頁面所述，「低功耗藍牙能達到長程無線電連線的短叢發，對於不需要持續連線但依賴長期電池續航力的物聯網 (IoT) 而言十分理想。」 BLE 和傳統藍牙技術在相同譜帶運作（2.400 GHz 至 2.4835 GHz ISM 譜帶），但使用不同的頻道組和調變技術。 您可以在藍牙技術聯盟網站的規格頁面查看 BLE 4.x 規格的詳細資訊。

Microchip 透過 RN4020 支援 BLE，此元件是經過完整認證、藍牙 4.1 版的低功耗模組，能讓設計人員輕而易舉將低功率無線功能結合到產品中。 這款小型尺寸、表面黏著式模組，板載完整的藍牙堆疊，並可透過 UART 介面以簡易的 ASCII 命令進行控制。 RN4020（圖 2）包含了所有藍牙技術聯盟設定檔，以及用於自訂資料的 Microchip 低功耗資料設定檔 (MLDP)。 Microchip 也有支援較新版本 BLE 規格的其他產品，例如 BM71 低功耗藍牙 (4.2) 模組，其設計可在多種應用中輕鬆實作。 除了支援最新的藍牙標準，和藍牙 4.1 版產品相比，該模組的處理量提高 2.5 倍，同時有更安全的連線。

圖 2：Microchip 的 RN4020 低功耗藍牙模組

針對低功率廣域網路 (WAN)，Microchip 的 LoRa® 模組擁有板載 LoRaWAN™ 協定堆疊。 LoRaWAN 協定能輕鬆連接至 LoRa 閘道和網路伺服器，讓智慧型裝置之間達到無縫接軌的互通性。

除了低功耗的網際網路連線外，許多應用也有資料安全傳輸和儲存的需求。  

保護資料的整合式硬體加密

對許多應用而言，安全的資料儲存相當重要，包含注重資料記錄的應用、將資料儲存至隨身碟的應用，或是需要從多個組態檔載入資料的應用。 無論資料是以某種外部記憶體的形式（例如 EEPROM）儲存在板載 MCU 附近，或透過 USB 或無線方式傳送至另一部裝置，進行加密是保護資料完整性和安全通訊的關鍵因素。

Microchip 的 PIC24FJ128GB204 微控制器系列包含功能完整的整合式硬體加密引擎，同時支援 AES、DES 和 Triple DES。 含有隨機亂數產生器，可用於建立資料加密／解密和驗證的金鑰，並藉由製作難以複製的金鑰，提供更高階的安全性。 單次可編程 (OTP) 金鑰儲存裝置能保護加密金鑰不會遭到軟體讀取或覆寫。

在硬體（代替軟體）實作這些功能即可降低軟體開銷和處理頻寬。 整合式硬體 AES 的處理速度約比軟體 AES 快 10 倍。 這項速度優勢能讓您用較低的頻率操作 MCU，進而節省電力。 硬體功能防護非常適合低工作週期的應用或低功率嵌入式保全應用，例如監視攝影機、門鎖及面板、智慧卡讀卡機、POS 終端機和投票機。

建置在 PIC24FJ128GB204 系列產品上的整合式硬體加密引擎能當作核心獨立周邊裝置（CIP）。 一旦在系統中初始化，CIP 可提供穩態閉迴路嵌入式控制，無需 MCU 核心的介入。 因此，此產品能簡化複雜控制系統的實作，讓設計人員享有彈性進行創新。

關於這項嵌入式安全性如何實作的例子，可以在具有安全感測器資料的 PIC24 XLP 裝置上一探究竟。

IoT 中的感測器

目前有許多不同類型的感測器可以應用於 IoT，視要偵測的事件本質而定。 感測器的類別包括環境、動作、光、物理、化學和電氣類型，但也可以延伸至其他多種領域，例如導航、光學、壓力、作用力和近距離等。 最終目標是讓最終使用者或機器能與擷取資料及控制致動器的嵌入式系統達到互動。 最適合藍牙應用的使用者介面無疑是行動技術。

Microchip 開發了 PIC24 XLP 低功耗藍牙 IoT 展示板（圖 3）展現基本的感測器能力。 這款展示板採用 Microchip 的標準開發工具打造，包含 Explorer 16 板、PIC24FJ128GB204 處理器插入式模組 (PIM) 以及 低功耗藍牙 PICtail Plus 子卡。 您可以使用這些準備就緒的工具，自行輕鬆重現展示板。 這款展示板由 MCU 韌體，以及可在 Android 手機或平板電腦上執行的應用程式提供支援。 第一項應用是透過平板電腦的觸控按鈕開關 LED，展示了基本的雙向命令和控制。 此應用程式也可以顯示板載開關的狀態，即開啟和關閉。 此展示板亦使用整合在 PIC24FJ128GB204 MCU 中的加密引擎提供資料安全性、並具有高達 128 位元 AES，以及 Microchip的 TC1074A 類比輸出熱感測器，其連接至微控制器的其中一個 A/D 頻道。

圖 3：Microchip 的 PIC24F XLP 低功耗藍牙 IoT 展示板

將安全的 IoT 感測器資料上傳雲端有許多好處，請繼續閱讀瞭解詳情。

連接雲端

對 IoT 裝置而言，連接至雲端有許多好處， 例如遠端命令及控制、遠端診斷和現場重新編程能力、設定檔及狀態，以及推送通知等等。 還有許多潛在的方式能讓您的 IoT 產品連接雲端。 幾項常見的設定包括 1) 透過路由器的 Wi-Fi^®、2) 透過行動連線的藍牙、3) 透過路由器的乙太網路、4) 透過閘道器的 LoRa，以及 5) 透過閘道器或路由器的 MiWi。 Microchip 的產品能透過多種無線解決方案、感測器和 eXtreme Low-Power 微控制器提供端對端 IoT 解決方案，包含成品和所需連線，協助您順利將嵌入式系統連接至雲端。  

結論

功耗和安全性是嵌入式系統設計人員最為關切的兩項要素，不僅適用於微控制器，對於 IoT 設計的其餘部分也是如此。 針對低功率或僅使用電池供電的應用，Microchip 擁有一整套適用於這種應用的理想產品，包括採用 eXtreme Low-Power (XLP) 技術的微控制器，能達到超低電流、運用整合式硬體加密因應安全性需求，並提供多種與雲端連線的通訊方法。