用于物联网数据处理的微控制器所需的功能 - 全文

最近物联网（IoT）相关的文章充斥在许多电子工程杂志或期刊，数量上也是多的不计其数。众所周知虽然物联网的服务五花八门包罗万象，但部分基础的特性却都是大同小异。举例来说，不论该技术的应用为何，可以肯定的是，需要持续存取不断增加的大量数据，以利后续的分析、操作和比较。因此如何处理这些数据是至关重要的。

虽然有少数的运用需要在该物连网装置上直接作数据处理和储存，但大多数的例子都是从数据的取得作为开始，以传输到云端作为结束。而数据密集型的物联网应用又能分为智慧城市的安全和交通监控、工业物联网机器视觉（如自动化生产线中的成像系统）和家庭安全。

为了能够与云端联机操作，必须使用一个具有适当接口的专属微控制器（MCU） - 可以使用以太网作有线的连结，在无线方面，可以通过Wi- Fi、ZigBee或者蓝牙协议。随着物联网的应用越来越多样化，而且每种应用都有其特定的操作门坎，因此微控制器需要有数量更多及更多样的I / O功能。

图1介绍了一个简单的场景，其中网页服务器用于编译来自传感器设备数组的数据。在这个应用中利用开源轻量级IP（lwIP）平台提供了因特网连接所需的TCP / IP协议实现。在微控制器上运行的网页服务器代码提供了一个网页，通过该网页可以由经过适当培训的工作人员查看和分析所有获取的资料。根据应用的性质，可能需要实时处理数据（例如，在工厂生产在线的检查系统中，如果发现问题，则立即采取行动）。在这种使用案例中，系统延迟可能会带来重大的问题，如果没有足够的时间作出适当的对策，接下来就可能导致严重的后果- 例如昂贵的机器损坏或位于附近的工作人员处于危险之中。

图1：工控系统取得传感器数组的数据

如前文所述，目前大多数微控制器的I / O资源都相对有限，并不能完全符合工程师的期望和需求。原因是制造商在过去十年中生产的微控制器产品一直依赖于少数核心平台。一方面，这有助于获得更大的市场牵引力并促进工程团队的开发周期，但另一方面，却又扼杀了微控制器产品的差异化。

随着现在业界认为物联网将有巨大的潜力和未来，目前情况将有所改变。例如，在市场上已经提供针对物联网的众多微控制器，可以理解的是以最小化功耗为其中主要目标。除此之外物联网节点将暴露于各种网络攻击，所以确保高度安全性已被证明是一个重要的考虑因素。然而，有线连接却仅仅只有想法 - 在众多情况下只支持基本的无线功能。而过于简化微控制器的I / O而导致实际应用范围受限，这也是令人担忧的。

没有两个物联网的应用情景是完全一样的，因此微控制器制造商需要符合经济规模的需求数量，是可以被理解的，但要做到如此，微控制器又必需具有一定水平的多功能性。能够针对某功能(具有特定的联接方式)是一件好事，但也须具备更多的功能。

如前文所描述，物联网处理大量的多媒体数据。因此，通用微控制器不足以完成此类任务。通用微控制器因为要处理数据的输入又同时要处理标准运作的功能，所以处理的能力将完全耗尽，造成资源不足而导致延迟发生。这必然会发生应用程序与标准运作的直接冲突所。

其中一个关键因素是绝大多数微控制器供货商偏重在使用软件支持的功能集。与这些多数微控制器形成对比，Bridgetek FT900和FT930系列的微控制器使用硬件来执行大部分的功能，提供通用微控制器缺乏的性能优化操作。通过使用先进的桥接技术，这些微控制器可以在快速I / O之间提供专用桥接，最适合用来设计读取分立的硬件组件。控制器内部有着独立的运算处理单元和I / O单元接口以确保指令可以正确地完成，而没有任何延迟问题的产生。

基于32位RISC的微控制器搭配公司专有的FT32内核，可以提供真正在零等待的状态下操作，在100MHz的频率运行时可以达到310 DMIPS的性能。除了兼容10 Base-T（10Mbps）和100 Base-T（100Mbps）的以太网连接之外，还支持CAN总线、I2C、USB和其他多种的I / O。

回到前面的例子（如图1所示）MM900EVxA板（集成了FT90X 微控制器）可以实现网页服务器的功能，可以实时处理传感器数组所产生的所有数据。在硬件上实现通用即插即用（UPnP）的功能，在Windows资源管理器属于“网络”部分的“其他设备”与其他网络连接平台类似。为了让安装更加快速和容易，相关网络的设置也可以储存在MM900EVxA板上的NVRAM，使该信息驻留在lwIP库中。HTTPD应用程序从虚拟文件系统读取静态和服务器的内嵌文件。使用HTTPD应用程序处理服务器的内嵌文件，而增加的数据则通过应用程序的回调函数 (call-back function) 来处理。

图2：Bridgetek MM900EVxA微控制器评估板

在处理好了连接方面的问题之后，另一个关键因素就是系统安全性。系统中包含许多云端连接设备都有可能遭到黑客攻击。因此，需要建立适当的机制，以防止恶意使用设备而产生对安全不利的影响。任何应用程序都必须构建有效的证书和身份的验证，因此Bridgetek为FT900系列微控制器提供了大量详细的示例，演示了如何应用mbed TLS库以提供安全网络连接与通讯，以及如何生成openSSL安全套接字所需要的证书和密钥。这代表着可以通过使用MQTT协议在微控制器和MQTT代理(broker)之间安全地传输数据。

物联网部署将成为未来几年微控制器销售的主要来源。最近Market Research Future分析公司编制了一份报告，预测从现在到2023年，物联网微控制器业务的复合年增长率（CAGR）将达到12％，届时年收入将达到近40亿美元。现在大家所公认目前市场上大多数微控制器的功能集和I / O功能实际上不足以解决当前开始出现的大量应用程序。现在，参与物联网的工程师需要微控制器的功能与实际设计产品的需求存在很大的差距。半导体制造商采用的通用平台方案对工程师的创造产生了限制，并导致功能无法完全发挥。

因此现在不仅需要提供更多更广泛的连接设备，同时也必须具备高水平的运算能力。尽管很多物联网的应用偏重在与大量远距离传感器的连接，因此专注在维持较低的功耗，也只需要较少的数据传输，但除此之外还有更多场景需要高速的数据传输和数据处理。半导体供货商需要开发更多优化应用的设备，并重视提供更有效的连接。