作者：Jeff Shepard

　　使用 Amazon AWS 和 Microsoft Azure 云等服務的云連接在一系列物聯網 (IoT) 應用中受到高度重視，包括工業和樓宇自動化、智能醫療和運輸、消費電器和智能城市。在這些應用程序中，云連接是必不可少的支持功能，但不是設備的主要功能。云存儲許多物聯網網絡產生的澤字節數據以及對物聯網設備的云遠程訪問變得越來越重要(圖 1)。

　　圖 1：多種類型的物聯網網絡需要訪問云以進行遠程訪問和數據存儲。(圖片來源：AWS)

　　維護隱私、獲得所需的安全認證、確保互操作性和管理通信延遲是開發有效的云連接解決方案的重要方面。這些挑戰中的每一個都可以解決，但它們也可能將時間和資源從主要設備功能的開發中轉移出來。

　　設計人員無需從頭開始開發云連接，而是可以使用云連接開發套件來加快流程。這些套件可用于基于微控制器單元 (MCU) 的設計和基于現場可編程門陣列 (FPGA) 的設計，并支持將物聯網設備快速連接到 Amazon AWS 和 Microsoft Azure 云所需的所有元素。

　　本文回顧了云連接的構建塊和體系結構，探討了用于收集和管理來自大規模傳感器網絡的數據的事件驅動云體系結構，并回顧了國際標準組織/國際電工委員會 (ISO/IEC) 27017 和 27018 云安全指南。然后，它展示了來自 瑞薩電子 和 特拉西克 適用于基于 MCU 和 FPGA 的物聯網設備，以及瑞薩電子的 MCU 和 英特爾.

　　云服務是連接到互聯網的分布式大規模數據處理和存儲資源。典型云環境中的元素包括(圖 2)：

　　設備和傳感器 – 設備可以包括與直接環境交互或響應來自云的通信的硬件或軟件。設備的范圍可以從執行器和電機到人機界面 (HMI)，如觸摸屏和移動手機上的應用程序。傳感器測量特定的環境參數，并將數據發送到云端進行分析、存儲和/或決策。設備和傳感器可以使用互聯網直接連接到云，也可以使用網關間接連接。

　　網關 – 提供通信平臺，如 Wi-Fi、以太網、蜂窩或其他無線協議，支持未直接連接到 Internet 的設備和傳感器訪問云。網關還可以在發送到云之前提供初始篩選、聚合和數據處理。

　　物聯網云 – 是一種可擴展、經濟高效的方式，可支持廣泛分散的設備和傳感器，并為大數據提供大規模存儲、處理和分析。物聯網云服務是第三方托管的基礎設施和平臺，如Amazon AWS和Microsoft Azure。它們可以只包括硬件，但通常還提供廣泛的軟件包來支持數據分析、報告和決策。

　　圖 2：物聯網云服務可以通過專用網關連接到傳感器和設備網絡。(圖片來源：瑞薩電子)

　　針對物聯網傳感器數據的事件驅動型云架構

　　來自醫療設備、汽車系統、樓宇自動化控制和工業 4.0 系統的物聯網傳感器信息可以使用事件驅動的云架構自動發送到云端進行收集、分析和決策?；倔w系結構包括多個元素(圖 3)。

　　IoT傳感器數據是使用 IoT 邊緣運行時和云服務收集的，該服務聚合數據并在靠近源的地方執行初始分析。當新數據到達時，此邊緣服務會自主響應，對其進行過濾，將其聚合為正確的格式，并根據需要將其安全地發送到云和本地網絡設備。

　　邊緣到云接口服務將數據引入云。除了提供邊緣連接服務外，接口還應安全且可擴展，并根據需要與云應用程序和其他設備連接。

　　然后根據需要轉換引入的數據以進行進一步處理，并可以存儲以供將來參考。數據轉換可以包括擴充和簡單的格式設置，以支持下游分析和商業智能報告。初始分析還可用于為下一步中的機器學習 (ML) 處理準備數據。此外，可以識別可能需要加速分析和決策的異常數據。

　　隨著越來越多的數據可用，ML 訓練和分析是持續的過程。在架構的最后一個塊中，移動應用程序或業務應用程序可用于近乎實時地訪問原始數據或查看 ML 處理的結果。自動報告和警報可以提供所需的見解，以支持手動或自動管理作為原始傳感器數據源的設備。

　　圖 3：物聯網傳感器數據的事件驅動型參考架構示例。(圖片來源：AWS)

　　IEC 27017 和 IEC 27018 – 為什么需要兩者

　　云解決方案的開發人員需要 IEC 27017 和 IEC 27018。27017 定義了云服務的信息安全控制，而 27018 定義了如何在云中保護用戶隱私。它們由 ISO/IEC JTC 1/SC 27 聯合小組委員會開發，是 IEC 27002 安全標準系列的一部分。

　　IEC 27017 為云服務提供商和云服務客戶提供建議的做法。它旨在幫助客戶了解云中的共同責任，并為客戶提供有關他們應該從云服務供應商那里獲得什么的見解。例如，它在基本IEC 27002標準中指定的37個控制措施的基礎上增加了七個額外的云服務控制措施。其他控件與以下內容相關：

　　服務提供商和云用戶之間的職責分工

　　云合同結束時的資產返還

　　分離和保護用戶的虛擬環境

　　虛擬機配置職責

　　支持云環境的管理過程和操作

　　監視和報告云活動

　　云和虛擬網絡環境的協調

　　IEC 27018旨在幫助云服務提供商評估風險并實施控制措施以保護用戶的個人身份信息(PII)。當與 IEC 27002 結合使用時，IEC 27018 為處理 PII 的公共云計算服務提供商創建一組標準的安全控制以及類別和控制。在其幾個目標中，IEC 27018概述了如何為云服務客戶提供一種機制來行使審計和合規性權利。當單個云服務客戶對使用虛擬化服務器的多方云環境中托管的數據進行審計可能具有技術挑戰性并增加現有物理和邏輯網絡安全控制的風險時，此機制尤其重要。該標準有幾個優點，包括：

　　提高客戶 PPI 數據和信息的安全性

　　提高云用戶和客戶的平臺可靠性

　　幫助加快全球運營的部署

　　它定義了云提供商和用戶的法律義務和保護

　　基于MCU的云連接開發平臺

　　這 RX65N 云套件 瑞薩電子為工業和樓宇自動化、智能家居、智能電表、辦公自動化和一般物聯網應用的設計人員提供了一個平臺，以對物聯網設備進行原型設計和評估。有兩種變體可供選擇： RTK5RX65N0S01000BE， 支持在美國使用的系統的開發，以及 RTK5RX65N0S00000BE 對于世界其他地區。兩者都提供與 Amazon AWS 和 Microsoft Azure 云的快速連接(圖 4)。使用這些套件，以前沒有開發物聯網設備經驗的設計人員可以快速開始使用云連接環境中的解決方案。

　　圖 4：開發人員可以使用 RX65N 云套件中的評估板快速實施連接到 Amazon AWS 和 Microsoft Azure 云的物聯網設備。(圖片來源：瑞薩電子)

　　RX65N 云套件支持具有多個傳感器、用戶界面和通信功能的靈活開發。它還提供了示例程序以加快應用程序開發?？梢跃庉嫼驼{試示例程序。隨附的應用筆記提供了應用程序操作的詳細信息。示例程序基于 Amazon FreeRTOS 進行移植，可以使用可用的源代碼庫自由擴展、更改和刪除。該工具包具有 AWS 資格，因此可以安全可靠地與 AWS 通信，包括(圖 5)：

　　帶有溫度/濕度傳感器、光傳感器和 3 軸加速度計的云選件板，以及一個用于串行通信的 USB 端口和另一個用于調試的 USB 端口

　　基于Silex SX-ULPGN Pmod模塊的Wi-Fi通信模塊

　　所有必要的電源管理

　　RX65N 目標板，包括 R5F565NEDDFP MCU 額定工作溫度范圍為 -40 至 +85 攝氏度 (°C)

　　圖 5：RX65N 云套件符合 AWS 標準，包括安全連接物聯網設備所需的一切。(圖片來源：瑞薩電子)

　　瑞薩電子的RX65N MCU非常適合云和傳感器解決方案端點設備。功能包括：

　　120 MHz 操作，采用單精度 FPU

　　2.7 至 3.6 V 工作電壓

　　僅需 0.19 mA/MHz 即可支持所有外設功能

　　四種低功耗模式，用于優化功耗/性能

　　通信接口包括以太網、USB、CAN、SD 主機/從接口和四通道 SPI

　　程序閃存高達 2 MB，SRAM 高達 640 KB

　　雙銀行功能簡化了固件更新

　　安全

　　美國國家標準與技術研究院 (NIST) 聯邦信息處理標準 (FIPS) 140-2 3 級加密模塊驗證計劃 (CMVP) 認證

　　瑞薩電子專有的硬件安全IP(可信安全IP)集成在一起，實現了高水平的信任根

　　可用的加密引擎包括AES，TRNG，TDES，RSA，ECC，SHA

　　配備保護閃存免受意外訪問的功能

　　使用 FPGA 實現云連接

　　需要FPGA性能和云連接的設計人員可以轉向Terasic的 FPGA 云連接套件， 它結合了英特爾 Cyclone V 片上系統 (SoC) FPGA，例如 5CSEBA5U23C8N，具有云連接功能。此開發工具包已通過云服務提供商(包括 Microsoft Azure)的認證，并包括開源設計示例，這些示例可引導設計人員完成將邊緣設備連接到云的過程。FPGA 云連接套件包括(圖 6)：

　　DE10-納米旋風 V 芯片芯片板

　　RFS 子卡，帶：

　　Wi-Fi，使用 ESP-WROOM-02 模塊，覆蓋范圍可達 100 米

　　帶加速度計、陀螺儀和磁力計的 9 軸傳感器

　　環境光傳感器

　　濕度和溫度傳感器

　　UART 轉 USB

　　2x6 TMD GPIO 接頭

　　藍牙 SPP，使用 HC-05 模塊，范圍可達 10 米

　　圖 6：Terasic 的 FPGA 云連接套件結合了 DE10-Nano Cyclone V SoC FPGA 板和 RFS 子卡。(圖片來源：泰瑞西克)

　　英特爾 Cyclone SoC FPGA 是一款基于 ARM 處理器的可定制 SoC，通過將包括處理器、外設和內存控制器在內的硬處理器系統 (HPS) 與使用高帶寬互連的低功耗 FPGA 架構集成，支持更低的系統功耗、更低的成本和更少的電路板空間。這些 SoC 特別適用于高性能物聯網邊緣應用。

　　總結

　　將云連接添加到物聯網設備和傳感器不一定是一項艱巨的任務，因為它會轉移主要設備功能設計的資源。設計人員可以轉向基于 MCU 和 FPGA 的環境，這些環境支持快速高效地連接到 Amazon AWS 和 Microsoft Azure 云。這些開發套件包括全面的傳感器套件、有線和無線通信選項，以及提供安全可靠的云連接的示例應用程序。