วิธีสร้างตำแหน่งข้อมูล IoT ที่ควบคุมบนคลาวด์ของ AWS อย่างรวดเร็ว

จุดปลายเซ็นเซอร์ Internet of Things (IoT) กำลังถูกปรับใช้อย่างรวดเร็วเพื่อตรวจสอบกระบวนการและระบบเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรม และเพิ่มเทคนิคปัญญาประดิษฐ์ (AI) และเทคนิคการเรียนรู้ของเครื่อง (ML) ตามความเหมาะสม โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน Industrial IoT (IIoT) ข้อมูลเซ็นเซอร์จะได้รับการวิเคราะห์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ลดการใช้พลังงาน ติดตามประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ รับรองความปลอดภัยของพนักงาน รักษาฟังก์ชันการรักษาความปลอดภัย และลดเวลาหยุดทำงานผ่านการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์

ในขณะที่เทคโนโลยีมีการใช้งานเพิ่มขึ้น สำหรับนักออกแบบที่ไม่เคยใช้ IoT และการควบคุมบนคลาวด์ การเรียนรู้แนวคิดหลักของการปรับใช้เซ็นเซอร์ การว่าจ้าง และบริการคลาวด์และการเชื่อมต่อสามารถแสดงถึงช่วงการเรียนรู้ที่สูงชัน ทำให้พวกเขาไม่แน่ใจว่าจะเริ่มต้นจากที่ใด ซึ่งอาจส่งผลต่อเวลาในการพัฒนาและเพิ่มค่าใช้จ่ายในการปรับใช้โดยรวม

เพื่อลดขั้นตอนการเรียนรู้ โซลูชันแบบเบ็ดเสร็จมีให้ใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้น เพื่อลดความซับซ้อนในการเชื่อมต่อ IoT และการวิเคราะห์บนคลาวด์และการนำเสนอแดชบอร์ด

บทความนี้จะกล่าวถึงการเปลี่ยนแปลงไปสู่การเชื่อมต่อ IoT และบริการคลาวด์โดยสังเขป เช่น Amazon Web Services (AWS) จากนั้นจะแนะนำบอร์ดพัฒนาเซ็นเซอร์ AWS IoT จาก Microchip Technology และอธิบายวิธีที่นักพัฒนาสามารถใช้เพื่อสร้างโหนดเซ็นเซอร์ที่เชื่อมต่อกับ AWS และเปิดใช้งาน Wi-Fi ได้อย่างง่ายดายในขณะที่เรียนรู้แนวคิดพื้นฐานของ IoT และการควบคุมระบบคลาวด์ จากนั้นจะหารือว่าคณะกรรมการลูกสาวจาก daughter MikroElektronika สามารถเชื่อมต่อกับบอร์ด Microchip ได้อย่างรวดเร็วเพื่อสร้างบอร์ดเซ็นเซอร์ตรวจจับความเคลื่อนไหว 3 มิติที่ควบคุมและตรวจสอบผ่าน AWS

บทบาทที่เพิ่มขึ้นของระบบ IoT

เครือข่าย IoT และ IIoT กำลังขยายไปสู่พื้นที่ใหม่ แอปพลิเคชันที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับเครือข่าย IIoT ใหม่คือการปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานโดยเพิ่มประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกันก็รักษาและปรับปรุงความปลอดภัยและความปลอดภัย การตรวจสอบกระบวนการส่วนใหญ่ทำได้โดยการติดตั้งเซ็นเซอร์ที่ตรวจสอบกระบวนการทางอุตสาหกรรมและสิ่งแวดล้อม รวมถึงอุณหภูมิ ความชื้น และความดัน นอกจากนี้ยังสามารถตรวจสอบข้อมูลการเคลื่อนไหว เช่น อัตราเร่ง ความเสถียร และการกระแทก ควบคู่ไปกับข้อมูลแอนะล็อกและตำแหน่งสวิตช์อย่างง่าย ตำแหน่งของหุ่นยนต์ ผู้ปฏิบัติงาน หรือทรัพย์สินสามารถตรวจสอบได้โดยใช้ GPS แท็ก RFID หรืออัลกอริธึมการระบุตำแหน่งแบบไร้สายต่างๆ

ข้อมูลเซ็นเซอร์ที่เก็บรวบรวมต้องได้รับการวิเคราะห์เพื่อไม่เพียงแต่ปรับปรุงประสิทธิภาพ แต่ยังช่วยให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพของระบบที่เหมาะสมที่สุด วิธีง่ายๆ ในการตรวจสอบและควบคุมเซ็นเซอร์ต่าง ๆ เหล่านี้คือเชื่อมต่อกับเซิร์ฟเวอร์คลาวด์ที่มีอยู่ ซึ่งช่วยประหยัดเวลาและความพยายามในการสร้างเว็บแอปพลิเคชันแบบกำหนดเองที่มีการรักษาความปลอดภัยที่เหมาะสม

อย่างไรก็ตาม สำหรับบางองค์กรที่เพิ่งเริ่มใช้ IoT และการควบคุมระบบคลาวด์ การเรียนรู้แนวคิดเหล่านี้สามารถแสดงถึงช่วงการเรียนรู้ที่สูงชัน ดังนั้นผู้จัดการสิ่งอำนวยความสะดวกและวิศวกรจึงไม่แน่ใจว่าจะเริ่มต้นจากที่ใด ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดความล่าช้าในการใช้อุปกรณ์ปลายทาง IIoT เหล่านี้

Kit ช่วยให้นักออกแบบเริ่มต้นได้อย่างรวดเร็วด้วย IoT และ IIoT

ในการเริ่มต้นใช้งานเครือข่าย IoT และคลาวด์คอมพิวติ้ง ไมโครชิปเทคโนโลยีได้เปิดตัว EV15R70A บอร์ดพัฒนา IoT Wi-Fi พร้อมรองรับ AWS (รูปที่ 1) โซลูชันแบบเบ็ดเสร็จสำหรับการเชื่อมต่อ IoT และ AWS บอร์ดสามารถใช้เป็นฮับในการรวบรวมข้อมูลเซ็นเซอร์ในภาคสนามและส่งข้อมูลนั้นไปยัง AWS เพื่อวิเคราะห์และนำเสนอบนอินเทอร์เฟซแบบเบราว์เซอร์ที่เรียบง่าย แม้ว่าบอร์ดจะเล็ก แต่ทรงพลังและมีตัวเลือกมากมายสำหรับจุดสิ้นสุด IoT ที่ปลอดภัย

รูปที่ 1: บอร์ดพัฒนา Microchip EV15R70A IoT Wi-Fi เป็นโซลูชันแบบเบ็ดเสร็จสำหรับการเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ที่เปิดใช้งาน Wi-Fi กับ AWS เพื่อการวิเคราะห์ การนำเสนอ การเฝ้าติดตาม และการควบคุม (แหล่งที่มาภาพ: Microchip Technology)

EV15R70A ถูกควบคุมโดย Microchip Technology ATMEGA4808-MFR ไมโครคอนโทรลเลอร์ 20 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) พร้อมแฟลช 48 กิโลไบต์ (Kbytes) และ SRAM 6 Kbytes หน่วยความจำนี้เพียงพอสำหรับการเรียกใช้โหนดเซ็นเซอร์ IoT แบบธรรมดา โดยมีหน่วยความจำสำรองไว้สำหรับโค้ดแอปพลิเคชันเพิ่มเติมเพื่อควบคุมอุปกรณ์ภายนอก โดยใช้พินพอร์ตใดๆ จากทั้งหมด 18 พอร์ตที่แสดง (Pxx, ป้ายสีน้ำตาล) EEPROM บนชิปมี 256 ไบต์สำหรับจัดเก็บค่าคงที่การสอบเทียบ ข้อมูลความปลอดภัย ข้อมูลการเชื่อมต่อ Wi-Fi และข้อมูลเซ็นเซอร์ ATMEGA4808-MFR มีแกน megaAVR 8 บิตอันทรงพลังที่สามารถจัดการการถ่ายโอนข้อมูล IIoT ได้อย่างง่ายดายในขณะที่ใช้พลังงานเพียงเล็กน้อย การใช้พลังงานจะลดลงไปอีกโดยใช้ตัวคูณฮาร์ดแวร์สองรอบที่ลดรอบของ CPU

สำหรับการเชื่อมต่อ Wi-Fi ATMEGA4808 จะเชื่อมต่อโดย SPI กับ Microchip Technology ATWINC1510-MR210PB1952 โมดูล Wi-Fi 802.11b/g/n (รูปที่ 2) ประกอบด้วยการรักษาความปลอดภัย WEP, WPA และ WPA2 และสนับสนุนการเชื่อมต่อการรักษาความปลอดภัยชั้นการขนส่งที่เข้ารหัส (TLS) ในหมายเลขชิ้นส่วนของโมดูล “1952” หมายถึงเวอร์ชันเฟิร์มแวร์บน ATWINC1510 ดังนั้นบอร์ดที่ใหม่กว่าอาจมีโมดูลที่มีเฟิร์มแวร์เวอร์ชันที่ใหม่กว่า

รูปที่ 2: โมดูล Wi-Fi เทคโนโลยี Microchip ATWINC1510-MR210PB 802.11b/g/n รองรับความปลอดภัย WEP, WPA และ WPA2 ผ่าน TLS มันเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์โฮสต์โดยใช้พอร์ตอนุกรม SPI (แหล่งที่มาภาพ: Microchip Technology)

ATWINC1510-MR210PB มีเสาอากาศบอร์ดพีซีในตัว A1 ในรูปที่ 2 สิ่งนี้ทำให้บอร์ดพัฒนา EV15R70A พร้อมใช้งานตั้งแต่แกะกล่อง ช่วยให้นักพัฒนาที่ไม่คุ้นเคยกับ RF และเลย์เอาต์เสาอากาศสามารถเริ่มต้นได้รวดเร็วยิ่งขึ้น หากต้องการช่วง Wi-Fi เพิ่มเติม สามารถเชื่อมต่อเสาอากาศภายนอกได้

ATWINC1510-MR210PB ต้องการแหล่งจ่ายไฟ 2.7 ถึง 3.6 โวลต์ และดึงเพียง 0.380 มิลลิแอมป์ (mA) ในโหมด Doze เมื่อไม่ได้ส่งหรือรับ เมื่อวิทยุทำงาน โมดูลจะดึง 269 mA (สูงสุด) เมื่อส่ง และ 61 mA เมื่อรับ สำหรับตำแหน่งข้อมูล IoT ค่านี้ต่ำพอที่จะช่วยยืดอายุการทำงานของแบตเตอรี่ได้ โมดูลมีการรับรองที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานในอเมริกา ยุโรป และเอเชีย ทำให้กระบวนการได้รับการอนุมัติตามกฎข้อบังคับสำหรับการออกแบบขั้นสุดท้ายที่รวม EV15R70A เข้าด้วยกันง่ายขึ้น

การเข้ารหัสข้อมูลบนเครือข่าย IIoT

การรับส่งข้อมูลทางอินเทอร์เน็ตที่ปลอดภัยในปัจจุบันมักจะเข้ารหัสโดยใช้ TLS เพื่อป้องกันไม่ให้ผู้ให้บริการที่เป็นศัตรูเข้าใจการรับส่งข้อมูลที่ถูกจับ อย่างไรก็ตาม การโจมตีแบบ "คนตรงกลาง" ยังคงใช้วิธีการที่ซับซ้อนในการสกัดกั้นและบันทึกข้อมูลโดยการค้นหาข้อบกพร่องในการเชื่อมต่อ เพื่อให้การสื่อสาร IoT มีความปลอดภัยมากขึ้น ข้อมูลเครือข่ายควรได้รับการเข้ารหัส

ในการเข้ารหัสข้อมูลที่ส่งระหว่างบอร์ดพัฒนาและ AWS EV15R70A มี Microchip Technology ATECC608A-MAHCZ-T ชิปความปลอดภัย CryptoAuthentication อินเทอร์เฟซ ATECC608A กับ ATMEGA4808 ผ่านอินเทอร์เฟซ I²C และเข้ารหัสและถอดรหัสข้อมูลเซ็นเซอร์ Wi-Fi ATECC608A รองรับมาตรฐานการเข้ารหัสมากมาย รวมถึง AES-128 และ SHA-256 นอกจากนี้ยังใช้เพื่อจัดเก็บคีย์การเข้ารหัสสาธารณะและส่วนตัวที่ใช้สำหรับสื่อสารกับ AWS

ATECC608A แต่ละตัวในบอร์ดพัฒนา EV15R70A ทุกตัวได้รับการตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้าด้วยชุดคีย์สาธารณะและคีย์ส่วนตัวที่ไม่ซ้ำกันเพื่อเข้ารหัสและถอดรหัสข้อมูล การดำเนินการโดยละเอียดของพฤติกรรมการเข้ารหัสและถอดรหัส ATECC608A มีให้ที่ Microchip Technology ภายใต้ข้อตกลงไม่เปิดเผยข้อมูลเท่านั้น อย่างไรก็ตาม เฟิร์มแวร์แฟลช ATMEGA4808 ที่มาพร้อมกับชุดอุปกรณ์ช่วยให้นักพัฒนาสามารถเข้ารหัสและถอดรหัสข้อมูลระหว่างบอร์ดพัฒนาและ AWS ได้อย่างง่ายดาย โดยมีความรู้เกี่ยวกับโปรโตคอลการเข้ารหัสมาก่อนเล็กน้อย สิ่งนี้ช่วยลดความยุ่งยากในการทำงานของปลายทาง IoT สำหรับนักพัฒนามือใหม่ในการเข้ารหัส

สำหรับ IoT endpoints ที่ต้องได้รับการเสริมความแข็งแกร่งให้กับไม่เพียงแต่เครือข่ายแต่ยังมีการโจมตีทางกายภาพที่รุนแรง อุปกรณ์ ATECC608A มีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยในตัวเพื่อป้องกันการบุกรุกทางกายภาพ ตัวอย่างเช่น:

• มันสามารถตรวจจับการโจมตีทางกายภาพ เช่น การถอดรหัสอุปกรณ์เพื่อพยายามตรวจสอบสถานะภายในของอุปกรณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์
• สามารถตรวจจับการโจมตีช่องสัญญาณด้านข้าง เช่น การแช่อุปกรณ์ในที่เย็นจัดเพื่อพยายามรักษาเนื้อหาในหน่วยความจำ
• สามารถตรวจจับกิจกรรม I²C ที่ผิดปกติ เช่น ความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่เร็วหรือช้ามาก ตลอดจนรูปคลื่นสัญญาณนาฬิกาที่ไม่ได้มาตรฐาน
• เนื้อหาหน่วยความจำภายในถูกเข้ารหัส
• วงจรภายในอาจมีวงจรเท็จเพื่อหลีกเลี่ยงวิศวกรรมย้อนกลับ

การเชื่อมต่อ EV15R70A กับ AWS

เฟิร์มแวร์ของ EV15R70A ช่วยให้บอร์ดพัฒนาเชื่อมต่อกับ AWS ผ่านการเชื่อมต่อ Wi-Fi ที่ปลอดภัยได้ เมื่อสร้างการเชื่อมต่อกับ AWS แล้ว คณะกรรมการจะสามารถตรวจสอบ กำหนดค่า และควบคุมได้อย่างรวดเร็วโดยใช้เว็บเบราว์เซอร์ใดๆ ที่เชื่อมต่อกับบัญชี AWS ที่เหมาะสม

ในการเริ่มต้นใช้บอร์ดพัฒนากับ AWS นักพัฒนาต้องเชื่อมต่อบอร์ดกับคอมพิวเตอร์โดยใช้สาย USB ก่อน คอมพิวเตอร์จะเห็นบอร์ดเป็น USB flash memory drive ชื่อ CURIOSITY นักพัฒนาสามารถเรียกดูกระดานได้เหมือนกับอุปกรณ์หน่วยความจำแฟลชทั่วไป ในรูทเป็นไฟล์ชื่อ CLICK-ME.HTM อย่างเหมาะสม การคลิกไฟล์นี้จะเปิดหน้าเริ่มต้นของอุปกรณ์ในเว็บเบราว์เซอร์เริ่มต้นของคอมพิวเตอร์ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: EV15R70A เชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ผ่านสาย USB และดูเหมือนอุปกรณ์หน่วยความจำแฟลช USB การคลิกไฟล์ CLICK-ME.HTM จะเป็นการเปิดหน้าเว็บในเว็บเบราว์เซอร์เริ่มต้นที่แนะนำผู้ใช้ให้รู้จักกับบอร์ดและแจ้งให้อัปเดตเฟิร์มแวร์ของบอร์ด (แหล่งที่มาภาพ: Microchip Technology)

ในหน้าจอเริ่มต้น ผู้พัฒนาได้รับการแนะนำให้รู้จักกับบอร์ด และควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าใช้เฟิร์มแวร์ล่าสุด การคลิกที่ "รับเฟิร์มแวร์ล่าสุด" จะดูแลสิ่งนี้ ถัดไป ผู้พัฒนาต้องเลื่อนหน้าเว็บลงไปยังขั้นตอนที่แนะนำให้นักพัฒนากำหนดค่าบอร์ดให้เชื่อมต่อเครือข่าย Wi-Fi ในพื้นที่โดยอัตโนมัติ เมื่อกำหนดค่าและเชื่อมต่อสำเร็จแล้ว สถานะ Wi-Fi ไฟ LED สีน้ำเงินจะสว่างขึ้น เมื่อเชื่อมต่อกับบัญชี AWS สีเขียว สถานะการเชื่อมต่อ ไฟ LED จะสว่างขึ้น สิ่งนี้แสดงภาพสถานะของบอร์ดและช่วยแก้ปัญหาการเชื่อมต่อ

เมื่อสร้างการเชื่อมต่อที่ปลอดภัยกับ AWS และแอปพลิเคชันระบบคลาวด์ทำงานแล้ว การถ่ายโอนข้อมูล LED สีเหลือง จะกะพริบทุกครั้งที่มีการส่งข้อมูลระหว่างบอร์ดกับ AWS บอร์ดนี้ประกอบด้วยเซ็นเซอร์วัดแสงและอุณหภูมิที่ ATMEGA4808 สุ่มตัวอย่างเป็นระยะ ข้อมูลที่ได้รับจะถูกส่งไปยัง AWS เพื่อดูออนไลน์

สำหรับแอปพลิเคชันขั้นสูง นักพัฒนาสามารถเขียนเฟิร์มแวร์เพื่อโต้ตอบกับพิน GPIO และอุปกรณ์ต่อพ่วงใด ๆ พอร์ตมอดูเลตความกว้างพัลส์ (PWM) สามารถตั้งค่าให้สร้างรูปคลื่นเพื่อใช้งานมอเตอร์หรือแอคทูเอเตอร์ และสามารถตั้งโปรแกรม SPI และ UART ให้โต้ตอบกับอุปกรณ์ภายนอกได้ การโต้ตอบใด ๆ เหล่านี้สามารถตรวจสอบและควบคุมได้จากเว็บเบราว์เซอร์ที่เชื่อมต่อกับบัญชี AWS ที่เกี่ยวข้อง

EV15R70A มีหัวต่อที่เข้ากันได้กับ mikroBUS Click บอร์ดลูกที่ AWS ควบคุมและตรวจสอบได้ ตัวอย่าง เช่น MikroElektronika MIKROE-1877 เป็นบอร์ดฟิวชันเซ็นเซอร์ตรวจจับความเคลื่อนไหว 3 มิติที่มีมาตรความเร่งแบบสามแกน ไจโรสโคป และเครื่องวัดความเข้มข้นของสนามแม่เหล็ก (ภาพที่ 4) ตัวประมวลผลร่วมการเคลื่อนไหวออนบอร์ดจะตรวจสอบเซ็นเซอร์ทั้งสามตัวและส่งข้อมูลกลับไปยัง EV45R70A ผ่านอินเทอร์เฟซ mikroBUS Click I²C

รูปที่ 4: MikroElektronika MIKROE-1877 เป็นบอร์ดเซนเซอร์ตรวจจับความเคลื่อนไหว 3 มิติ มีมาตรความเร่งแบบสามแกน ไจโรสโคป เครื่องวัดความเข้มข้นของสนามแม่เหล็ก และตัวประมวลผลร่วมฟิวชั่นเซ็นเซอร์ที่เชื่อมต่อกับบอร์ด EV45R70A ผ่านอินเทอร์เฟซ mikroBUS Click มาตรฐาน (ที่มาของภาพ: MikroElektronika)

เมื่อเสียบบอร์ดเซ็นเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหว 3 มิติ MIKROE-1877 เข้ากับ EV45R70A นักพัฒนาซอฟต์แวร์สามารถเขียนเฟิร์มแวร์เพื่อตรวจสอบและจัดเก็บข้อมูลได้ แอปพลิเคชัน AWS สามารถกำหนดค่าให้ตรวจสอบบอร์ดและบันทึกข้อมูลได้ เมื่อใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ EV45R70A กับ MIKROE-1877 สามารถใช้เพื่อตรวจสอบพฤติกรรมของหุ่นยนต์ ประตูโรงรถ หรือยานพาหนะ และดูข้อมูลจากเว็บเบราว์เซอร์ที่เข้ากันได้

สรุป

การเริ่มต้นใช้งานอุปกรณ์ปลายทาง IoT หรือ IIoT พร้อมการควบคุมระบบคลาวด์อาจมีช่วงการเรียนรู้ที่สูงชันสำหรับนักพัฒนาที่ไม่คุ้นเคยกับแนวคิดและความแตกต่างของส่วนสำคัญๆ เช่น ความปลอดภัย บ่อยครั้งวิธีที่ดีที่สุดในการทำความเข้าใจเทคโนโลยีเหล่านี้คือการเรียนรู้ขณะใช้งานโดยใช้ฮาร์ดแวร์ที่ออกแบบมาเพื่อทำสิ่งนั้น บอร์ดพัฒนา AWS ของ Microchip Technology EV45R709A ช่วยให้นักพัฒนาเรียนรู้แนวคิดพื้นฐานของ IoT, ที่เก็บข้อมูลบนคลาวด์ และการควบคุมบนคลาวด์ได้อย่างรวดเร็ว ในขณะเดียวกันก็สร้างอุปกรณ์ที่มีประโยชน์และปลอดภัยสำหรับการตรวจสอบจากระยะไกล