您需要先了解物聯(lián)網(wǎng)是什么，然后才能開(kāi)始設(shè)計(jì)附加設(shè)備的過(guò)程。

物聯(lián)網(wǎng)炒作機(jī)器已經(jīng)全面展開(kāi)了幾年，這是可以理解的——一個(gè)擁有數(shù)十億智能聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的世界所呈現(xiàn)的潛力很難完全理解。傳感器制造的改進(jìn)，包括新材料、納米技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS），呈現(xiàn)出前所未有的新傳感和監(jiān)測(cè)能力。使用 14 納米晶體管（節(jié)點(diǎn)）在半導(dǎo)體制造方面的進(jìn)步正在允許生產(chǎn)更小、更快的處理器和組件，這些處理器和組件的能耗要低得多，而且價(jià)格也更便宜。

目前尚未回答的一個(gè)問(wèn)題是，對(duì)未來(lái)幾年部署的數(shù)十億物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的廣泛預(yù)測(cè)是否實(shí)用、負(fù)擔(dān)得起，并且對(duì)于設(shè)備制造商而言是否有利可圖。讓我們看看您在構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)可能面臨的一些要求和設(shè)計(jì)決策。

云計(jì)算徹底顛覆了我們看待數(shù)據(jù)處理和使用的方式?？蓴U(kuò)展、可擴(kuò)展的 IT 架構(gòu)的可用性促使人們假設(shè)網(wǎng)絡(luò)可以（并且應(yīng)該）100% 可靠，并且網(wǎng)絡(luò)故障是可接受和可管理的。

電子行業(yè)預(yù)計(jì)在未來(lái)五到十年內(nèi)將部署數(shù)十億臺(tái)低成本的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。但是這些低成本設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本必須在一個(gè)合理的商業(yè)案例范圍內(nèi)。畢竟，我們生活在一個(gè)資本主義世界。如果我們的產(chǎn)品不盈利，我們就不應(yīng)該生產(chǎn)它們！

關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)有很多錯(cuò)誤的想法。有些人認(rèn)為通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)的傳感器構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)。這是物聯(lián)網(wǎng)的一部分——很小的一部分，但不是全部。其他人可能會(huì)認(rèn)為，僅僅因?yàn)?a target="_blank">智能手機(jī)用于遠(yuǎn)程控制設(shè)備或查看數(shù)據(jù)就構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)，事實(shí)并非如此。智能手機(jī)只是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，甚至不是強(qiáng)制性的。

讓我們看看最小的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)，一個(gè)傳感器，它監(jiān)控一個(gè)物理變量，例如溫度或壓力。這個(gè)小型傳感設(shè)備需要什么設(shè)備和軟件？它需要一個(gè)測(cè)量類比變量的電子元件。它需要一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，或者內(nèi)置在傳感器本身中，或者通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的芯片（這是一個(gè)通常集成到微處理器中的功能）。

設(shè)備可能需要在傳輸傳感器數(shù)據(jù)之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。這種設(shè)備中的處理器可以非常簡(jiǎn)單，通常是 8 位或 16 位處理器。在此處理器上運(yùn)行的軟件通常會(huì)使用裸機(jī)方法編寫(xiě)。它將是一個(gè)單線程應(yīng)用程序，一個(gè)超級(jí)循環(huán)。

性能要求通常很低，以至于這種設(shè)備可以使用紐扣電池運(yùn)行數(shù)年。而且該設(shè)備的成本相當(dāng)?shù)?，通常每臺(tái)不到一美元。

這正是我們一直在尋找的——一種低成本、低功耗的設(shè)備，我們可以制造數(shù)十億美元，這樣我們就可以覆蓋整個(gè)地球！游戲結(jié)束！事實(shí)上，這場(chǎng)比賽還遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束。這正是事情開(kāi)始變得有趣的地方。首先，處理器的成本與它所包含的內(nèi)置閃存和 RAM 的數(shù)量密切相關(guān)。內(nèi)存越多，芯片就越大，即使是 14 nm 制造的芯片也是如此。但物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越多地導(dǎo)致代碼量更大，因此需要具有更多 RAM 的芯片。

第二個(gè)問(wèn)題是時(shí)間和成本。新功能使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更復(fù)雜，更復(fù)雜需要更多的開(kāi)發(fā)時(shí)間。即使開(kāi)源軟件的流行使管理者（錯(cuò)誤地）相信軟件是免費(fèi)的，軟件工程師的時(shí)間肯定不是。

電源管理注意事項(xiàng)

電池供電的設(shè)備通常使用某種電源管理軟件。這并不總是一件容易實(shí)現(xiàn)的事情。一些微控制器用戶手冊(cè)有 400 多頁(yè)描述了芯片的所有不同電源模式。要利用所有這些模式，您的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)必須更加智能，并且設(shè)備測(cè)試變得更加復(fù)雜，從而增加了開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的成本。

現(xiàn)在傳感器設(shè)備中的數(shù)據(jù)可用，我們需要傳輸它。這就是傳感器網(wǎng)絡(luò) （SN） 和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) （WSN） 發(fā)揮作用的地方。例如，使用 ZigBee 和 6LowPAN，設(shè)備（節(jié)點(diǎn)）運(yùn)行這些協(xié)議棧所需的代碼量約為 100 KB 到 120 KB，具體取決于節(jié)點(diǎn)是終端設(shè)備還是協(xié)調(diào)器/路由器。協(xié)議棧需要額外的 6 KB 到 8 KB RAM，具體取決于所使用的緩沖區(qū)策略。

當(dāng)今的某些 8 位/16 位處理器可以滿足此代碼和 RAM 空間要求。由于對(duì)閃存和 RAM 的需求較高，因此此類處理器的成本較高。數(shù)據(jù)吞吐量和頻率傳輸總是假設(shè)的，并且在 WSN 上通常很低。

請(qǐng)記住，物聯(lián)網(wǎng)中的 I 代表互聯(lián)網(wǎng)。這意味著，在系統(tǒng)中的某個(gè)點(diǎn)，涉及到 Internet 協(xié)議；可能不是公共 Internet（網(wǎng)絡(luò)），但肯定是私有 IP 網(wǎng)絡(luò)（Intranet）。

傳感器網(wǎng)絡(luò)代碼的目的是通過(guò)本地網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)。要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿接?IP 網(wǎng)絡(luò)（或 Internet），我們需要一個(gè)額外的設(shè)備——邊緣節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)。該設(shè)備將傳感器網(wǎng)絡(luò)橋接到 IP 網(wǎng)絡(luò)。它需要用于 TCP/IP 和協(xié)議棧的以太網(wǎng)控制器和以太網(wǎng)連接器，或具有適當(dāng)協(xié)議棧的 Wi-Fi 無(wú)線電。

完全符合 IETF RFC 的 TCP/IP 堆棧需要大約 100 KB 的代碼空間。單個(gè)以太網(wǎng)緩沖區(qū)需要 1.5 KB。如果性能不是問(wèn)題，您的設(shè)備只需幾千字節(jié)的傳輸/接收緩沖區(qū)即可。如果需要更好的性能，則至少需要 30 KB 到 60 KB。這不包括協(xié)議棧內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)存。

支持 IP 的設(shè)備相對(duì)較高的內(nèi)存需求要求增加硬件要求。有兩種方法可以處理這些要求：

使用外部模塊處理以太網(wǎng)/Wi-Fi 通信

在您的設(shè)備中使用更強(qiáng)大（也更昂貴）的 32 位處理器

任一種選擇都會(huì)對(duì)設(shè)備的功耗和制造成本產(chǎn)生影響。

使用兩個(gè)處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)是一個(gè)很好的解決方案，尤其是當(dāng)您可以將一個(gè)或兩個(gè)處理器置于深度睡眠模式以節(jié)省電力時(shí)。但通信處理器必須是 32 位芯片。

考慮到 TCP/IP 堆棧所需的內(nèi)存在代碼大小上可能介于 50 KB 和 100 KB 之間，而 Wi-Fi 堆棧是 TCP/IP 堆棧加上 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)管理、身份驗(yàn)證和加密的總和代碼，它與 TCP/IP 堆棧一樣大。這使得 Wi-Fi 堆棧的大小是 TCP/IP 堆棧的兩倍。因此，如果需要良好的性能，您將需要一個(gè)快速的處理器和相當(dāng)數(shù)量的 RAM。

可以以單線程和輪詢方式運(yùn)行復(fù)雜的協(xié)議棧（例如 TCP/IP），但這對(duì) CPU 的效率不是很高。如果除了運(yùn)行協(xié)議棧之外，通信處理器還有更多任務(wù)，那么實(shí)時(shí)內(nèi)核是比單線程超級(jí)循環(huán)更好的選擇。這樣，用于通信處理器的軟件可以具有可擴(kuò)展性、模塊化和可靠性，同時(shí)可以更輕松地進(jìn)行團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品支持和維護(hù)。

IPv4/IPv6 協(xié)議

我們已經(jīng)知道，IPv4 無(wú)法提供足夠數(shù)量的公共 IP 地址來(lái)維持未來(lái)幾年的互聯(lián)網(wǎng)增長(zhǎng)和預(yù)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量。IoT 設(shè)備必須開(kāi)始使用 IPv6。盡管最早的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)正在使用并且可以繼續(xù)使用 IPv4，但為了持續(xù)增長(zhǎng)，IPv6 是強(qiáng)制性的。

Google 正在保持有關(guān) Internet 中 IPv6 使用情況的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。這意味著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)需要同時(shí)運(yùn)行 IPv4 和 IPv6。雙協(xié)議棧增加了硬件設(shè)計(jì)的代碼大小和 RAM 要求。測(cè)試兩種協(xié)議會(huì)增加設(shè)備設(shè)計(jì)和測(cè)試階段的時(shí)間，最終導(dǎo)致更高的成本。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備觸及我們?cè)诠I(yè)和家庭中的生活。但物聯(lián)網(wǎng)沒(méi)有得到足夠重視的一個(gè)方面是安全性，無(wú)論是對(duì)您的設(shè)備還是對(duì)您客戶的數(shù)據(jù)而言。關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)中對(duì)安全性和保密性的需求已經(jīng)寫(xiě)了很多，但提出的解決方案相對(duì)較少。

數(shù)據(jù)加密

第一層保護(hù)是數(shù)據(jù)加密，這在數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器或移動(dòng)設(shè)備時(shí)至關(guān)重要。數(shù)據(jù)加密是一個(gè)眾所周知的過(guò)程。每次我們使用安全連接進(jìn)行網(wǎng)上銀行或購(gòu)物時(shí)都會(huì)這樣做。相同的技術(shù)可以應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

加密發(fā)生在 TCP/IP 堆棧中的 SSL/TLS（安全套接層/傳輸層安全）層中。加密算法是復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程，可以獲取數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行加密。SSL/TLS 層的代碼大小可以在 30 KB 到 50 KB 左右，所需的 RAM 大小甚至更大。安全性適用于每個(gè)套接字。在 PC、筆記本電腦、智能手機(jī)和平板電腦上，每個(gè)插槽通常使用多達(dá) 100 KB 的 RAM。在精心設(shè)計(jì)的嵌入式 SSL/TLS 堆棧上，每個(gè)套接字可以減少到大約 45 KB。另一種減少每個(gè) IP 套接字 RAM 要求的方法是在設(shè)備和云服務(wù)器上使用專有密碼協(xié)議，假設(shè)客戶端（設(shè)備）和服務(wù)器之間的客戶協(xié)議協(xié)商已經(jīng)到位。

您可以通過(guò)使用芯片內(nèi)置的硬連線加密外圍設(shè)備來(lái)減少 SSL/TLS 的一些代碼開(kāi)銷。加密的執(zhí)行效率更高，但額外的成本從軟件轉(zhuǎn)移到了硬件，并且需要一些定制軟件工作以使 SSL/TLS 堆棧適應(yīng)硬件外圍設(shè)備。

您如何確保物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備本身不是您網(wǎng)絡(luò)上的脆弱點(diǎn)？入侵物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的技術(shù)可以包括：

獲得未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)

對(duì)設(shè)備進(jìn)行逆向工程，以復(fù)制、竊取或破壞商業(yè)優(yōu)勢(shì)

通過(guò)注入代碼來(lái)破壞設(shè)備的完整性。此類代碼本身可能不是惡意的，但它可能會(huì)非法增強(qiáng)程序的功能，或以其他方式顛覆程序，使其執(zhí)行所有者或用戶不會(huì)批準(zhǔn)的新的和未公開(kāi)的功能

防篡改技術(shù)不僅僅是防止盜版；在物聯(lián)網(wǎng)中，對(duì)于策略執(zhí)行（即確保設(shè)備始終執(zhí)行其應(yīng)做的事情）更為重要。有很多防篡改保護(hù)機(jī)制，包括加密包裝、代碼混淆、保護(hù)和水印/指紋。此外，還有許多硬件技術(shù)。

當(dāng)多種保護(hù)技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，軟件得到最好的保護(hù)。這就是可信執(zhí)行環(huán)境 （TEE） 等防篡改方法發(fā)揮作用的地方。并且一些廠商提供了自己的專有技術(shù)，例如 Intel 的 TXT（可信執(zhí)行技術(shù)）、AMD 的 SVM（安全虛擬機(jī)）和 ARM 的 TrustZone。

其他芯片供應(yīng)商提供基于管理程序的 TEE，或使用 ISO 標(biāo)準(zhǔn)，例如可信平臺(tái)模塊 （TPM），這些標(biāo)準(zhǔn)被設(shè)計(jì)為具有預(yù)定義功能集的固定功能設(shè)備。不幸的是，所有這些功能都需要更多的晶體管和更多的軟件，從而導(dǎo)致更大的芯片和更高的軟件開(kāi)發(fā)成本。

安全啟動(dòng)

安全啟動(dòng)是設(shè)備驗(yàn)證和加載受信任軟件的能力。它是防篡改功能的重要組成部分。通過(guò)安全啟動(dòng)，設(shè)備的固件被加密。在啟動(dòng)時(shí)，固件被解密、加載到閃存或 RAM 中并執(zhí)行。如果固件解密或加載步驟失敗，系統(tǒng)將回滾到已知安全的以前版本的固件。當(dāng)然，要同時(shí)存儲(chǔ)加密和解密的固件，系統(tǒng)需要更多的非易失性存儲(chǔ)器以及用于解密步驟和引導(dǎo)加載程序的附加軟件和 RAM。

遠(yuǎn)程固件升級(jí)是安全啟動(dòng)功能的擴(kuò)展。此功能通常稱為 FOTA（Firmware Over The Air）。當(dāng)有新版本的固件可用時(shí)，設(shè)備必須要么接收來(lái)自服務(wù)器的推送通知，要么輪詢服務(wù)器本身以獲取固件更新。一旦設(shè)備知道有新的固件更新可用，它必須下載、存儲(chǔ)并執(zhí)行與上述步驟類似的步驟以實(shí)現(xiàn)安全啟動(dòng)。

除了存儲(chǔ)新固件所需的額外非易失性存儲(chǔ)器外，設(shè)備還必須實(shí)現(xiàn)必要的通信堆棧和物理層以連接到網(wǎng)絡(luò)和后端服務(wù)。甚至需要更多的軟件來(lái)管理安全的固件升級(jí)過(guò)程。

安全關(guān)鍵認(rèn)證

許多行業(yè)已經(jīng)對(duì)產(chǎn)品實(shí)施了某種程度的安全關(guān)鍵認(rèn)證。執(zhí)行認(rèn)證以滿足某些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，例如工業(yè)控制軟件的 IEC 61508 和醫(yī)療設(shè)備軟件的 IEC 62304。

為安全關(guān)鍵行業(yè)構(gòu)建產(chǎn)品意味著創(chuàng)建一個(gè)嚴(yán)格的開(kāi)發(fā)流程，在該流程中可以測(cè)量、記錄和跟蹤每個(gè)可交付成果。軟件/固件可能不會(huì)更大，但開(kāi)發(fā)成本肯定會(huì)更高。

包括消費(fèi)產(chǎn)品在內(nèi)的所有行業(yè)現(xiàn)在都在關(guān)注由宇宙輻射引起的內(nèi)存故障。這種由雜散輻射粒子引起的損傷稱為單粒子擾動(dòng)。這種現(xiàn)象是飛機(jī)、衛(wèi)星和航天器的一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楦呖诊w行器更容易受到宇宙射線的影響。這些產(chǎn)品中使用的硅 IC 需要進(jìn)行抗輻射處理，以防止單事件擾動(dòng)。

這種現(xiàn)象也可能發(fā)生在地面上，但由于地球表面附近的大氣層較厚，發(fā)生這種事件的概率相當(dāng)?shù)?。隨著預(yù)計(jì)將在未來(lái)十年內(nèi)部署的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的突然涌現(xiàn)，這種情況即將改變。有數(shù)十億個(gè)有源設(shè)備，單個(gè)事件擾亂的可能性增加。

為了防止這個(gè)問(wèn)題，行業(yè)開(kāi)始實(shí)施IEC 60730，這是家用電器電子控制的安全標(biāo)準(zhǔn)。遵循此標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備必須能夠檢測(cè)內(nèi)存故障，并安全地停止設(shè)備，或以其他方式糾正問(wèn)題。同樣，為這個(gè)問(wèn)題投入更多的晶體管和更多的軟件會(huì)增加產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本。

設(shè)備生命周期管理

生命周期管理是另一個(gè)可以增加開(kāi)發(fā)過(guò)程復(fù)雜性的功能。您的設(shè)備需要配合產(chǎn)品制造商或系統(tǒng)用戶制定的任何設(shè)備生命周期要求。需要明確的是，設(shè)備生命周期管理包括：

注冊(cè)設(shè)備（授權(quán)其在系統(tǒng)中的操作）

配置設(shè)備（設(shè)置操作參數(shù)和產(chǎn)品選項(xiàng)）

自動(dòng)報(bào)告問(wèn)題和故障

更新設(shè)備的固件以解決錯(cuò)誤或提供功能增強(qiáng)

為計(jì)費(fèi)目的提供數(shù)據(jù)（和其他使用統(tǒng)計(jì)）

沒(méi)有現(xiàn)有的設(shè)備生命周期管理標(biāo)準(zhǔn)。存在多種解決方案，但它們都是專有的。不用說(shuō)，我們不是在談?wù)撦p量級(jí)軟件。即使它會(huì)降低運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)施生命周期管理也會(huì)增加任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本。

在某些行業(yè)，例如消費(fèi)市場(chǎng)，標(biāo)準(zhǔn)仍在努力出現(xiàn)。相反，這些行業(yè)正遭受標(biāo)準(zhǔn)碎片化的困擾。消費(fèi)市場(chǎng)正在提出多種標(biāo)準(zhǔn)。例如，Apple 正在提議其專有的 HomeKit；谷歌在收購(gòu) NEST 后，正在開(kāi)發(fā)一種叫做 Thread 的東西。英特爾成立了開(kāi)放互連聯(lián)盟（OIC）；高通將其 AllJoyn 計(jì)劃剝離為 AllSeen。

如果您是消費(fèi)品制造商，您可能必須決定您的業(yè)務(wù)和產(chǎn)品要與哪個(gè)專有標(biāo)準(zhǔn)保持一致。在某些情況下，您可能需要使用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。例如，必須能夠連接到來(lái)自多個(gè)供應(yīng)商的設(shè)備的網(wǎng)關(guān)可能需要支持任何或所有這些標(biāo)準(zhǔn)。

如您所見(jiàn)，物聯(lián)網(wǎng)并不是一種萬(wàn)能的技術(shù)。它更像是一盒樂(lè)高積木，其中的積木代表本地和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、傳感器、能量收集、電池、微控制器、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、分析、3G/4G 智能手機(jī)、平板電腦等。這些部件可以以各種方式使用。

為了滿足對(duì)未來(lái)十年部署的數(shù)十億物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的預(yù)測(cè)，每臺(tái)設(shè)備的成本必須在一個(gè)能夠產(chǎn)生有利可圖的商業(yè)案例的范圍內(nèi)。否則，它永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。然而與此同時(shí)，消費(fèi)者要求更堅(jiān)固、更安全和更靈活的設(shè)備。這些額外的要求不能是事后的想法。物聯(lián)網(wǎng)是真實(shí)的，但這些苛刻的限制可能會(huì)減緩其采用和實(shí)施。數(shù)十億臺(tái)設(shè)備將會(huì)出現(xiàn)，但可能需要十年以上的時(shí)間。

審核編輯：郭婷