Intelligenter, sicherer und effizienter

Intelligenter, sicherer und effizienter

Designs für smarte IoT-Geräte zu erstellen ist bei weitem keine leichte Aufgabe. Anwender stellen viele Anforderungen an die intelligenten Helfer. So müssen nahezu unsichtbar IoT-Devices immer aktuelle Updates ausführen können, sollten dabei gleichzeitig modern aussehen und natürlich sollte auch die Rechenleistung stimmen, um komplexe Aufgaben schnell erledigen zu können. Hinzu kommen dann noch Sparsamkeit beim Stromverbrauch und vor allem müssen die Daten der Anwender bestens geschützt sein. Einen Ausblick darauf, wie smarte Geräte diesen Anforderungen gerecht werden können, zeigt dieser Beitrag.

Die wertvollen Erkenntnisse der Fitnessuhren erfordern Fähigkeiten, die dem für diese IoT-Geräte typischerweise verfügbaren Energiebudget entgegenstehen. (Bild: ©Andrey Popov/Shutterstock.com)

Es gibt drei Prinzipien der ‚unsichtbaren Intelligenz‘

  1. Wenn ein Ding, das wertvolle Daten besitzt, mit Hilfe von Technologie intelligent gemacht wird, sollten wir damit trotzdem wie gewohnt interagieren können. Betrachten wir zum Beispiel einen Thermostat. Eine intelligente Version würde immer noch erfordern, dass wir das Einstellrad betätigen, aber aufgrund ihrer Intelligenz würde sie allmählich unsere Temperaturvorlieben lernen und entsprechend reagieren.
  2. Wir sollten wir im Alltag nicht allzu viel grundlegende Unterschiede zwischen dem intelligenten Ding und seinem ‚dummen‘ Gegenstück bemerken. Beispiel: ein intelligentes Fenster, bei dem der Blick durch das Fenster etwa durch eine klobige Stromversorgung für den intelligenten Fenstersensor beeinträchtigt würde, ist nicht im Sinne des Erfinders.
  3. Die Daten bzw. die Informationen, die die intelligenten Gegenstände liefern, müssen einen Mehrwert besitzen. Beispiel: Sie bauen ein Haus mit klugen Ziegeln. Diese werden in der Regel mehr kosten als die ´unintelligente‘ Variante. Man muss sich daher fragen, ist die Tatsache, dass der Ziegel eine Textnachricht schicken kann, wenn er vom Haus fällt, die zusätzliche Investition wert? Um zu entscheiden, ob es sinnvoll ist, die unsichtbare Intelligenz um uns herum freizusetzen, müssen wir uns also mit ein paar Schlüsselfragen befassen:
  • Können wir die Rechenleistung anbieten und handhaben, um intelligente Geräte herzustellen, die einen echten Mehrwert bieten
  • Wie können wir alle unsere vernetzten Geräte effizient mit Strom versorgen?
  • Können wir Geräte entwickeln, denen Menschen so weit vertrauen, dass sie sie verwenden?

Werfen wir einen genaueren Blick darauf, wie jeder dieser Bereiche – Intelligenz, Stromversorgung und Sicherheit – die Zukunft des Internet of Things (IoT) gestalten wird.

Den ROI mit dem richtigen Maß an Intelligenz maximieren

Um sicherzustellen, dass unsere IoT-Geräte über das richtige Maß an Intelligenz verfügen, sind drei Prinzipien der unsichtbaren Intelligenz zu berücksichtigen. Zuerst müssen wir darüber nachdenken, wie wir mit intelligenten Geräten interagieren. Einige von uns sind es vielleicht gewohnt, alle paar Jahre ein neues Smartphone zu kaufen, aber wir werden dies nicht mit allen unseren vernetzten Geräten tun wollen. Geräte müssen im Laufe der Zeit einfach, auch unbemerkt, aktualisiert werden können, und sie müssen in der Lage sein, die aktualisierte Firmware zu unterstützen. Zweitens sollte das Erscheinungsbild des Geräts ein Gleichgewicht zwischen anspruchsvollem und fortschrittlichem Aussehen finden, ohne einschüchternd zu wirken. Schließlich sollte das Gerät mit der richtigen Menge an Rechenleistung und Speicher ausgestattet sein – genug, um aus den Daten im Gerät Nutzen zu ziehen und zukünftige Funktionen zu ermöglichen, aber nicht so viel, dass die Gerätekosten erheblich steigen. Geräte wie der Thermostat Nest sind nach diesen drei Prinzipien ausgelegt. Nest ist einfach zu bedienen und liefert nützliche Daten, aktualisiert sich selbst problemlos und sieht aus wie ein moderner Thermostat. Was muss also mit all den derzeitigen ‚dummen‘ Geräten im Feld passieren, damit sie sich der intelligenten Masse anschließen können? IoT-Geräte müssen in der Lage sein, mehrere Algorithmen auszuführen. Das bedeutet, dass der Prozessor in der Lage sein muss, Signalverarbeitung und viele Berechnungen durchzuführen und dass er über einen großen Zwischenspeicher verfügen muss. Einfache Rauchmelder verwenden typischerweise 8-Bit-Mikrocontroller mit einigen Kilobyte Code-Speicher. Bei einer intelligenten, vernetzten Version müsste der 8-Bit-Mikrocontroller mehr Anweisungen ausführen und somit mehr Strom für seine Aufgaben benötigen als ein 32-Bit-Mikrocontroller. Alternativ ist der 32-Bit-Mikrocontroller eine bessere Wahl für die intelligente Version des Rauchmelders, da er auch einen Netzwerk-Stack, ein Betriebssystem zur Verwaltung der Kernelressourcen wie Prozessorbandbreite und Speicherzuweisung, sowie die Absicherung der Daten und Befehle ausführen müsste. Es stehen viele Optionen für den Prozessor zur Verfügung: Mikroprozessoren, 8-Bit- und 16-Bit-Mikrocontroller und 32-Bit-Mikrocontroller. Jeder von ihnen bietet unterschiedliche Vor- und Nachteile in Bezug auf Stromaufnahme versus Performance, Integration verschiedener Peripheriegeräte und Funktionen, unterschiedliche Speichergrößen und mehr. Die Wahl des richtigen Prozessors für das IoT-Design – einer, der auch die zukünftigen Anforderungen des Produkts erfüllt – erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der wichtigsten Parameter:

  • Rechenleistung
  • Signalverarbeitung und beschleunigte Fließkommaoperationen
  • Speicherkapazität
  • Erweiterbarkeit des Speichers
  • Sicherheitsfunktionen

Praktische Wege zur Erfüllung der Anforderungen an die Stromversorgung im IoT

Stromsparende Mikrocontroller liefern nicht nur die Rechenleistung, sondern können auch angeschlossene Geräte effizient mit Strom versorgen. Die Stromversorgung der unsichtbaren Intelligenz um uns herum erfordert jedoch die Bewältigung einiger schwieriger Herausforderungen. Um diese Herausforderungen besser zu verstehen, wollen wir sehen, wie sie sich mit unseren drei Prinzipien der unsichtbaren Intelligenz decken. Aus der Sicht der Interaktion und des Aussehens erfordert eine gute Nutzererfahrung Geräte, die nicht an eine Stromquelle gebunden sind, sowie langlebige Batterien oder Energy-Harvesting-Lösungen, die nicht zu groß oder sperrig sind. Um sicherzustellen, dass das IoT-Gerät einen guten Return on Investment liefert, sollten die Kosten für die Stromversorgung niedrig sein. Fitnessuhren sind ein gutes Beispiel für ein vernetztes Gerät, das die drei Prinzipien erfüllt. Sie liefern wertvolle Gesundheits- und Fitnessdaten in einem Format, das wie eine herkömmliche Uhr aussieht und sich auch so verhält. Sie entwickeln sich auch weiter, integrieren mehr Sensoren, um mehr Parameter zu erfassen und liefern die Erkenntnisse auf anschaulichere Weise. Und darin liegt eine der Herausforderungen bei der Stromversorgung – mehr Sensoren, Konnektivität und Algorithmen benötigen mehr Energie. Wie können wir also diesen Anwendungen ermöglichen, ihr Energiebudget zu managen und gleichzeitig mehr Daten bereitzustellen und die Lebensdauer des Geräts zu verlängern? Die meisten eingebetteten Anwendungen benötigen mehrere ICs, die jeweils unterschiedliche Spannungsversorgungen sowie mehrere Stromschienen benötigen. Da es nicht sinnvoll ist, eine Batterie für jede dieser Stromschienen zu haben, muss herausgefunden werden, wie eine einzelne Batterie mit einer einzigen Spannung verwendet werden kann, um alle benötigten Stromschienen bereitzustellen. Außerdem muss festgelegt werden, wie die Batterieeigenschaften wie Spannungsabfälle während der Lebensdauer der Batterie berücksichtigt werden können. Linear- und Schaltregler sind Optionen, aber sie sind mit Abstrichen verbunden. Es müssen auch viele Eigenschaften des stromsparenden Mikrocontrollers selbst berücksichtigt werden. Der Energiesparmodus ist ein Schlüsselfaktor, insbesondere wenn es darum geht, die Langlebigkeit einer Anwendung zu verbessern. Viele Chips unterstützen mehrere Energiesparmodi. Bei der Verwendung dieser Modi sind dies einige nützliche Funktionen:

  • SRAM-Erhaltung, um wichtige Daten wie Datenprotokolle und Betriebssystemstatus zu erhalten;
  • Schnelle Aufwachzeiten zur Minimierung von Energieverschwendung beim Wechsel zwischen Stromsparmodus und Aktivmodus;
  • Eine einfache Zustandsmaschine, um Routineaufgaben auszuführen, während der Mikrocontroller im Ruhezustand ist.

Vertrauen in vernetzte Produkte

Obwohl das Vertrauen in IoT-Geräte hier als letzte Schlüsselfrage diskutiert wird, ist es sicherlich nicht die unwichtigste. In Anbetracht aller sensiblen Daten, die von IoT-Geräten verwaltet werden, ist der Schutz dieser Produkte vor Hacking, Klonen, unbefugter Wiederverwendung und anderen Missbräuchen entscheidend für die Förderung einer breiten Akzeptanz. Dennoch war die Einführung von Sicherheitstechnologien schleppend (‚Zu teuer‘, ‚Zu kompliziert‘ und ‚Machen wir später‘). Was wäre, wenn wir uns nicht auf den negativen Aspekt der Sicherheit konzentrieren würden? Was wäre, wenn wir Sicherheit als einen Wegbereiter für neue Geschäftsmodelle, innovative Anwendungen und auch unsichtbar intelligente Produkte betrachten würden, die zu verlässlichen Bestandteilen einer neuen, auf Daten basierenden Wirtschaft werden? Gestalten wir die Diskussion über IoT-Sicherheit nach den drei Prinzipien der unsichtbaren Intelligenz. Aus Sicht der Interaktion sollte die Last des Sicherheitsmanagements nicht auf den Verbraucher übergehen. Sich darauf zu verlassen, dass Verbraucher Standardpasswörter ändern, ist keine ausfallsichere Methode (bekanntes Beispiel: das Mirai-Botnet). Was das Aussehen betrifft, so sollte die Integration der Security in ein Produkt nicht dessen grundlegendes Erscheinungsbild verändern. Vielmehr sollte das beabsichtigte Verhalten des Produkts beibehalten werden, ohne das geistige Eigentum im Inneren zu gefährden. Und schließlich geht es um die Sicherung der wertvollen Daten des vernetzten Geräts. Jeder von uns muss den Daten vertrauen, die er für seine Entscheidungen verwendet. Wenn die Sicherheit als Wegbereiter betrachtet wird, dann können sich daraus neue aufregende Möglichkeiten ergeben. Was wäre, wenn Security-Technologie helfen könnte, die Herstellungskosten zu senken? Mikrocontroller mit sicherem Bootloader können es Unternehmen ermöglichen, an den kostengünstigsten und effizientesten Standorten zu produzieren. Da der sichere Bootloader angepasst werden kann, können Unternehmen verschlüsselte Firmware, die nicht kopiert oder rückentwickelt werden kann, an ihren Hersteller senden. Eindeutige ID-Nummern in den sicheren Mikrocontrollern könnten sicherstellen, dass nur die vorgesehene Anzahl von Geräten hergestellt wird. Ein weiteres Beispiel ist ein Produkt, das der Kunde selbst upgraden kann. Dabei zahlt der Kunde eine Gebühr, um erweiterte Funktionen zu ermöglichen. Die integrierte Sicherheitstechnologie ermöglicht es dem Unternehmen, sicherzustellen, dass das Upgrade erst nach Bezahlung der Gebühr aktiviert wird. Was sind die effektivsten Möglichkeiten, ein IoT-Design zu sichern? Zu den wichtigsten Techniken gehören Authentizität, Vertraulichkeit und Integrität. Die Authentizität beweist, dass eine Nachricht oder ein Befehl von einer vertrauenswürdigen Quelle stammt. Die Vertraulichkeit schützt die Daten vor unbefugtem Zugriff. Integrität bezieht sich auf die Tatsache, dass die Daten vollständig erfasst sind und seit dem Senden nicht verändert wurden. Um diese Sicherheitstechniken anzuwenden, kann auf kryptographische Tools wie Verschlüsselung, Hashing und Signaturen zurückgegriffen werden. Während diese Algorithmen in Software implementiert werden können, haben Hardware-Implementierungen eine Reihe von Vorteilen:

  • Sie benötigen weniger Code- und Datenspeicher.
  • Sie werden schneller ausgeführt, in der Regel um eine Größenordnung.
  • Sie benötigen weniger Energie.
  • Und sie sind besser in der Lage, gängigen Angriffen über Verlustleistungsanalyse oder Timing zu widerstehen.

Es gibt eine Vielzahl von Embedded-Security-ICs auf dem Markt, darunter sichere Authentifikatoren mit PUF-Technologie (Physically Unclonable Function), kryptografische Koprozessoren und sichere Mikrocontroller. Diese ICs bieten robuste und kostengünstige Möglichkeiten, Sicherheit zu implementieren, auch für Designer ohne Kryptografiekenntnisse.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass vernetzte Produkte über ausreichende Intelligenz, Power und Sicherheit verfügen müssen, damit das IoT erfolgreich sein kann. Nur dann können wir die unsichtbare Intelligenz um uns herum entfesseln.

Thematik: Allgemein
Maxim Integrated Products GmbH
www.maxim-ic.com

Das könnte Sie auch Interessieren