作者：Mats Andersson，Simon Glassman

在考慮新的物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)計(jì)時(shí)，嵌入式開發(fā)人員在選擇距離最遠(yuǎn)約 100 米的通信方式時(shí)，需要考慮許多選擇。他們可能會(huì)選擇具有各種形式的IEEE 802.15.1藍(lán)牙，例如低功耗藍(lán)牙（BLE）和經(jīng)典藍(lán)牙。還有基于IEEE 802.15.4的無線協(xié)議，例如ZigBee，無線哈特和線程。其他可能性可能包括Z波和802.11 Wi-Fi。在研究它們的能力時(shí)，權(quán)衡每種方法的優(yōu)點(diǎn)可能會(huì)占用大量時(shí)間，關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)包括范圍、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能力、數(shù)據(jù)吞吐量、IP 支持，以及電池供電設(shè)備的典型功耗曲線。

更復(fù)雜的是，每個(gè)協(xié)議的規(guī)格都隨著應(yīng)用要求和可用技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。例如，藍(lán)牙的既定范圍將在2016年增加四倍。對(duì)于2級(jí)無線電，這意味著從10米的范圍轉(zhuǎn)移到40米。當(dāng)然，每種實(shí)現(xiàn)都有所不同，并且由于藍(lán)牙特別興趣組（SIG）僅規(guī)定了最小范圍，因此使用精心設(shè)計(jì)的無線電和良好的天線放置，BLE（v4.x）設(shè)計(jì)可以達(dá)到100米，而經(jīng)典藍(lán)牙（v2.0）可達(dá)1公里。藍(lán)牙SIG將使BLE的數(shù)據(jù)速率加倍，這意味著從1 Mbps的總速率增加到2 Mbps，同時(shí)降低其延遲。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，如果系統(tǒng)能夠及時(shí)對(duì)異常做出反應(yīng)，則需要10 ms范圍內(nèi)的延遲，因?yàn)楣收习踩δ軐?duì)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備至關(guān)重要。

添加無線通信的另一個(gè)方面也是提供位置、時(shí)間和其他上下文數(shù)據(jù)。人們相信物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序需要的主要數(shù)據(jù)可能還不夠。從物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序中提取的價(jià)值（例如，管理卡車車隊(duì)）可以通過這些附加數(shù)據(jù)獲得更多。許多藍(lán)牙無線電已經(jīng)內(nèi)置了溫度傳感器，因此這是一個(gè)很好的起點(diǎn)。

對(duì)于位置警報(bào)，Apple 于 2013 年推出的 iBeacons 已變得流行起來，但不是很準(zhǔn)確，難以分辨小于 1 米的范圍。在藍(lán)牙中，鄰近配置文件 （PXP） 使用接收的信號(hào)強(qiáng)度指示器 （RSSI） 來確定范圍。然而，環(huán)境因素，如建筑材料的吸收和來自其他設(shè)備的干擾，可能會(huì)使RSSI發(fā)生變化，使估計(jì)的位置相當(dāng)不準(zhǔn)確 - 隨著距離的增加，這種情況會(huì)變得更糟。

為了真正精確定位到厘米，基于到達(dá)角（AoA）和離開角（AoD）的計(jì)算都經(jīng)過了充分的研究，并已被證明是有效的。

另一個(gè)例子是通過Wi-Fi使用飛行時(shí)間（ToF）信息。這衡量數(shù)據(jù)包從發(fā)射器到接收器需要多長時(shí)間。已經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)這可以精確到《30厘米。對(duì)于資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用，使用帶有溫度傳感器的藍(lán)牙鏈路（例如，在血庫中），這可能是理想的匹配。

支持 GPS 的網(wǎng)關(guān)還可以提供非常準(zhǔn)確的時(shí)間戳，可以與前面的示例結(jié)合使用。即使是智能手機(jī)也可以提供時(shí)間戳數(shù)據(jù)。這種廉價(jià)的設(shè)備還可以通過其多個(gè)無線接口之一提供與云的鏈接。

信號(hào)指紋識(shí)別技術(shù)是為數(shù)據(jù)提供位置信息的另一種方法。這種方法從Wi-Fi接入點(diǎn)或蜂窩塔的已知位置映射RF路徑，以提供更準(zhǔn)確的位置。

選擇具有最低通信延遲的無線鏈路的需求也是一些新興應(yīng)用的要求，例如車輛到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I），車輛到車輛（V2V）或車輛到一切（V2X）。對(duì)于這些應(yīng)用，很可能在 5.9 GHz 頻帶中使用基于 IEEE 802.11p 的合適通信協(xié)議，信道為 10 MHz。預(yù)計(jì)典型信號(hào)延遲將低于 50 ms。

雖然短距離室內(nèi)連接的選擇多種多樣，但使用蜂窩通信并不總是如此，特別是對(duì)于低數(shù)據(jù)速率和超低功耗電池供電的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。在過去幾年中，LoRa和Sigfox等低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）協(xié)議已經(jīng)出現(xiàn)，但3GPP機(jī)構(gòu)建立的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）標(biāo)準(zhǔn)用于許可的GSM和LTE頻譜正在積聚勢(shì)頭。

針對(duì)需要超長電池壽命、地下穿透力和低成本相結(jié)合的室內(nèi)和室外應(yīng)用，NB-IoT值得考慮。

通常，傳統(tǒng)的GSM和LTE網(wǎng)絡(luò)只能滿足95-99%的室外覆蓋需求。基于蜂窩的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用具有很高的覆蓋范圍要求，特別是對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用和那些位于難以到達(dá)的位置的應(yīng)用。室內(nèi)覆蓋率的指標(biāo)是它應(yīng)該是99.5%或更高。3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織希望通過使用窄帶技術(shù)增強(qiáng)功率譜密度（PSD）來解決這個(gè)問題。與GSM網(wǎng)絡(luò)相比，16次重傳機(jī)制以及獨(dú)立和保護(hù)頻段頻譜規(guī)劃模式可將NB-IoT的覆蓋增益提高20 dB。

與全蜂窩服務(wù)相比，NB-IoT以更低的功耗和數(shù)據(jù)速率運(yùn)行，提供了物聯(lián)網(wǎng)所需的必要穩(wěn)健性和可靠性水平。它非常適合通過定期傳輸少量數(shù)據(jù)來讀取氣表和水表等應(yīng)用。NB-IoT的其他潛在領(lǐng)域包括智能城市的街道照明控制，樓宇自動(dòng)化，人員跟蹤和農(nóng)業(yè)監(jiān)控。

因此，我們現(xiàn)在已經(jīng)研究了提供連接的位置和時(shí)間 - 但是您的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)是否安全？確保物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序安全可靠地運(yùn)行至關(guān)重要。即使是最安全，最強(qiáng)大的系統(tǒng)也存在許多漏洞，黑客在有足夠的時(shí)間的情況下可能會(huì)破壞這些漏洞 - 對(duì)于任何高可靠性系統(tǒng)來說都是不可接受的情況 - 但是通過添加更多的上下文信息，例如項(xiàng)目的時(shí)間和位置，攻擊的水平或性質(zhì)可能非常引人注目。需要找到并盡快彌合安全方面潛在漏洞的手段。

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)傳感器，必須建立從傳感器到微控制器和無線模塊的信任鏈，一直到最終應(yīng)用。

作為理解物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)各個(gè)方面的一種方式，開發(fā)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)安全設(shè)計(jì)的五大支柱的概念很有用。它們包括設(shè)備固件和安全啟動(dòng)、與服務(wù)的通信、接口安全性、強(qiáng)制 API 控制以及可以處理欺騙或嘗試干擾設(shè)備的健壯性技術(shù)。

安全啟動(dòng)通過在啟動(dòng)下一個(gè)進(jìn)程之前的每個(gè)階段進(jìn)行身份驗(yàn)證來確保設(shè)備正在執(zhí)行預(yù)期的固件。此外，雖然無線更新對(duì)于許多廣泛部署的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的批量上傳很有用，但它們會(huì)產(chǎn)生攻擊面，因此在安裝之前必須首先驗(yàn)證所有固件。一個(gè)好的實(shí)現(xiàn)包括以前經(jīng)過身份驗(yàn)證的映像的備份，以便在出現(xiàn)問題時(shí)允許回溯。

在傳輸層中，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，以便設(shè)備可以使用服務(wù)器對(duì)自身進(jìn)行身份驗(yàn)證并通信數(shù)據(jù)，而不會(huì)發(fā)生中間人攻擊。使用每會(huì)話安全密鑰管理例程將確保通信過程的這一部分不會(huì)引入漏洞。

為了允許許多第三方與設(shè)備通信，通常使用 API。挑戰(zhàn)在于它們可能會(huì)帶來脆弱性。許多API都是有據(jù)可查的開源庫，因此黑客會(huì)尋找API中可能允許他們?cè)L問設(shè)備功能的部分。在開發(fā)過程中，工程師可能會(huì)將一些API函數(shù)保持打開狀態(tài)或使用未記錄的功能，因此在創(chuàng)建代碼的生產(chǎn)版本時(shí)，他們需要努力關(guān)閉這些功能。

保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的最后一部分是確保它足夠強(qiáng)大，以便在有人試圖堵塞或欺騙通信鏈路時(shí)保持操作安全。對(duì)于較弱的GNSS信號(hào)尤其如此。

通過上述幾點(diǎn)的一些想法和指導(dǎo)，開發(fā)人員可以確保以最有效和最安全的方式啟用其物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷