Πύλη διαδικτύου αντικειμένων: Σχεδιασμός &amp; υλοποίηση
Creators: name: Ρούσης, Δημήτριος Αθανασίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2017
Subjects: Πύλη Διαδικτύου Αντικειμένων και Δρομολογητής
Ηλεκτρονική Πλακέτα Τυπωμένου Κυκλώματος
Ολοκληρωμένο κύκλωμα FPGA
Internet of Things (IoT) Gateway and Linux IP Router
Printed Circuit Board (PCB)
Field Programmable Gate Array chip

description: Σκοπός: Η ανάλυση σε επίπεδο υλικού και λογισμικού, της διαδικασίας μελέτης, σχεδίασης, ανάπτυξης και υλοποίησης μιας υβριδικής Πύλης Διαδικτύου Αντικειμένων (Internet of Things Gateway) η οποία διαθέτει και πλήρη λειτουργικότητα IP Router. -Μέθοδοι: Οι αποφάσεις κάθε σταδίου ελήφθησαν βάσει πέντε κεντρικών αξόνων: α) Την προστασία της δημόσιας υγείας και του περιβάλλοντος, υπακούοντας σε κοινοτικές οδηγίες όπως η RoHs, β) Τη συμβατότητα λειτουργίας με νοσοκομειακά και βιομηχανικά περιβάλλοντα, γ) Την επίτευξη της απ’ άκρου εις άκρον ασφάλειας (και των έξι θεμελιωδών αρχών αυτής), ώστε να προστατεύεται το απόρρητο των ευαίσθητων δεδομένων, δ) Την προσαρμοστικότητα σε μελλοντικές μεταβολές/απαιτήσεις, και ε) Την υψηλή διαθεσιμότητα. Χρησιμοποιήθηκαν όργανα μέτρησης και λογισμικά, τεχνολογίας αιχμής. Για την επαλήθευση του συνολικού αποτελέσματος αναπτύχθηκε ειδικό Πρωτόκολλο Ελέγχου Ορθής Λειτουργίας. Επίσης χρησιμοποιήθηκε η συσκευή Simplelink SensorTag της Texas Instruments, η οποία ενσωματώνει δέκα διαφορετικά είδη αισθητήρων. -Αποτελέσματα: Η κωδική ονομασία της τελικής λειτουργικής συσκευής που προέκυψε, είναι: “IoT Router NGW200”. Πυρήνα της συσκευής αποτελεί ο μικροεπεξεργαστής SAMA5D36 με συχνότητα λειτουργίας τα 536 MHz. Η συσκευή περιλαμβάνει ένα σύνολο ασύρματων διεπαφών, όπως WiFi, Bluetooth Low Energy, ZigBEE, 3G/GPRS και LoRa, αλλά και ενσύρματων, όπως Ethernet, USB, CAN, RS232, RS485/422, και I2C, που παρέχουν τη δυνατότητα ταυτόχρονης προσάρτησης εκατοντάδων IoT συσκευών (πχ: sensors, actuators). Επιπλέον, έχει ενσωματωθεί FPGA chip το οποίο μπορεί να επεκτείνει και να αναπροσαρμόζει τη συνδεσιμότητα της συσκευής ανάλογα με τις εκάστοτε απαιτήσεις. Επιτρέποντας έτσι, ακόμη και υλοποίηση ολόκληρου SoC με CPU και περιφερειακά όπως: μετατροπές ADC, προσθήκη CPU, οδήγηση οθονών μέσω LVDS κ.α. Η κατανάλωση ενέργειας της συσκευής είναι πολύ χαμηλή και παρέχεται δυνατότητα τροφοδότησής της ακόμη και με μπαταρία. Η ασφάλεια της συσκευής υλοποιείται ως μια αλυσίδα εμπιστοσύνης, της οποίας ο πρώτος κρίκος (ρίζα εμπιστοσύνης) είναι η περιοχή TEE (Trusted Execution Environment) του επεξεργαστή, ενώ ακολουθούν: το ασφαλές λογισμικό εκκίνησης τριών σταδίων, το λειτουργικό σύστημα, και οι εφαρμογές. Καθένας εξ’ αυτών των κρίκων λογισμικού εκτελείται μόνο εφόσον έχει πιστοποιηθεί από τον προηγούμενό του. Η διανομή OpenWRT Linux που είναι το λειτουργικό σύστημα του IoT Router NGW200, αποτελεί ένα εξαιρετικά ευέλικτο περιβάλλον διαχείρισης πακέτων εφαρμογών. Η παραμετροποίηση του OpenWRT επιτυγχάνεται εύκολα, τόσο μέσω γραμμής εντολών, όσο και μέσω Web Interface. Οι προ-εγκατεστημένες εφαρμογές ασφάλειας, όπως το Firewall και ο SSH daemon, θωρακίζουν τη δικτύωση της συσκευής, κάνοντας δυνατή την απομακρυσμένη διαχείρισή της. Τέλος, υπάρχει δυνατότητα ανάπτυξης νέων εφαρμογών και firmware, μέσω ενός ολοκληρωμένου περιβάλλοντος ανάπτυξης λογισμικού που περιλαμβάνει SDKs, IDEs, Cross Compilers, Software και Hardware Debuggers. Τα δεδομένα που προκύπτουν από τις ενσύρματες και ασύρματες διεπαφές του IoT Router NGW200, μπορεί να αποθηκεύονται τοπικά σε SD card, USB stick κ.α., ή να προωθούνται στο IoT Cloud για αρχειοθέτηση, επεξεργασία και απεικόνιση, ώστε να είναι διαθέσιμα απ’ οπουδήποτε χρησιμοποιώντας έναν απλό φυλλομετρητή. –Συμπεράσματα: Ο ρόλος του IoT Gateway αποτελεί σημείο κλειδί στο Διαδίκτυο των Αντικειμένων. Ως ο ενδιάμεσος κρίκος του τοπικού δικτύου των Αντικειμένων και του Internet, πρέπει να είναι πάντα διαθέσιμος, και αδιάτρητος σε επιθέσεις υπονόμευσης της ασφάλειάς του και των κόμβων/αντικειμένων που συνδέει
description: AIM: Hardware and software analysis, of the study, design, development and implementation procedure, of an Internet of Things Gateway hybrid electronic device, with full IP Router functionality. –Methods: Decisions on every stage were made based on five principles: a) Public health and environmental protection (according to policies such as RoHs), b) Hospital and industrial working environment compatibility, c) End-to-end security (and its six fundamental principles) in order to protect the confidentiality of sensitive information data, d) Adaptability to future changes/requirements, and e) High availability. To verify the overall outcome, a special validation protocol was developed. The Texas Instruments Simplelink SensorTag device, which incorporates ten different types of sensors, was also utilized on this purpose. –Results: The resulting functional device is named: "IoT Router NGW200". Atmel’s SAMA5D36 microprocessor with 536 MHz operating frequency, is the heart of the system. A set of wireless interfaces such as WiFi, Bluetooth Low Energy, ZigBee, 3G/GPRS and LoRa, as well as wired interfaces, such as: Ethernet, USB, CAN, RS232, RS485/422 and I2C, are making possible the simultaneous communication of IoT RouterNGW200 with hundreds of IoT devices (e.g. sensors, actuators). Additionally, an FPGA chip is integrated, which can extend and rewire the connectivity of IoT Router NGW200 according to the current requirements. It could even allow the implementation of a complete SoC with CPUs and peripherals, such as: ADC converters, multiple CPU cores, LVDS displays driving circuits, etc. Overall power consumption of the device is very low and can be even used a battery as the main source. The security of the device is implemented as a Chain of Trust, whose first link (Root of Trust) is the Trusted Execution Environment (TEE) area within the processor’s hardware, followed by: a three-stage Secure Boot software/firmware, the operating system, and the Trusted Applications (TAs). Each of these software links is executed only if it has been certified by its predecessor. OpenWRT Linux distribution, the operating system of IoT Router NGW200, provides an extremely flexible management environment for application packages. OpenWRT configuration is easily achieved through the command line or the LUCI Web Interface. Pre-installed security applications, such as Firewall and the SSH daemon, shield networking of the device, making it manageable through remote administration. Lastly, it is also possible to develop new applications and firmware, through an integrated software development suite that includes SDKs, IDEs, Cross Compilers, Software and Hardware Debuggers. The data generated by the wired and wireless interfaces of IoT Router NGW200 can be stored locally on SD card and USB mass storage devices, or forwarded to the IoT Cloud for archiving, editing and visualization from anywhere, by using just a simple Web browser. –Conclusions: The IoT Gateway plays a key role in the Internet of Things. As the middleware of the local and remote Internet of Things network, it must always be available, and “bullet-proof” to attacks opting to undermine its security and thus, its attached nodes/things