A evolução dos dispositivos incorporados:Lidando com desafios complexos de design

Os dispositivos incorporados costumavam ser relativamente simples de projetar antes da Internet das Coisas. O projetista de um aparelho, controlador industrial ou sensor ambiental precisava apenas fazer a interface dos sinais de entrada, processar com um microcontrolador e fornecer controle de saída. Os sistemas eram independentes; e além da engenharia reversa, não havia incentivo para um hacker acessar um sistema.

Com a introdução do smartphone, esperamos que nossos dispositivos sejam inteligentes, atualizáveis ​​e acessíveis pela Internet. A segurança não é opcional - se a segurança não for levada a sério, os dados, a reputação da marca e os fluxos de receita serão afetados. Além disso, os sistemas embarcados estão se tornando mais complexos e você não pode ser um especialista em tudo! Felizmente, você pode usar os padrões existentes e as bibliotecas de pilha para concluir um projeto de maneira segura e oportuna.

Este artigo descreve os principais desafios de design que um desenvolvedor embarcado enfrenta hoje e algumas das novas tecnologias que ajudarão os designers a lidar com esses desafios.

Principais desafios de design e expectativas do mercado

1. Interfaces de usuário ricas

Os primeiros smartphones introduziram uma interface de usuário rica com tela e touchscreen de alta qualidade. Dispositivos integrados de última geração adicionaram telas de toque e LCD e OLED. Isso aumentou os requisitos de processamento e a necessidade de um processador de aplicativos e um sistema operacional avançado. Para aqueles que não precisam de um processador de aplicativo, os avanços da tecnologia aumentaram a velocidade do clock dos microcontroladores de dezenas de megahertz para várias centenas de megahertz e os tamanhos de memória de vários megabytes. Isso permitiu que os designers continuassem se beneficiando de arquiteturas familiares, como a usada para Arm Cortex-M.

Muitos sistemas embarcados só precisam de uma interface de usuário para configuração e controle ocasional. Os dispositivos IoT de consumo e industriais são sensíveis ao preço e se beneficiam da conexão com a Internet para permitir o controle por meio de uma interface da web ou aplicativo de smartphone. Como exemplo, dados de sensores industriais podem ser monitorados remotamente para gerenciar desempenho e erros, bem como prevenir falhas potenciais. Isso apresenta novos desafios para o engenheiro embarcado. Eles agora precisam saber sobre RF, pilhas de protocolo, segurança, gerenciamento remoto e atualizações de firmware.

Figura 1:controles da casa inteligente (Fonte:Getty Images, ID 908590688, Elena Pejchinova)

2. Controle local e remoto

Você pode implementar o controle local e remoto via Ethernet, WiFi, Bluetooth, Z-Wave, Zigbee ou Thread - cada um tem benefícios quando se trata de consumo de energia, complexidade e custo . Em geral, os protocolos de baixa energia, como Bluetooth de baixa energia, Z-Wave e Zigbee, são boas soluções para aplicações de bateria. Isso inclui fechaduras de portas, sensores ambientais e sistemas de alarme sem fio. Dispositivos que precisam de mais largura de banda, como câmeras de segurança e gateways de sensores, serão conectados via wi-fi. Ou, dispositivos em locais remotos usarão celulares. Uma opção interessante é combinar WiFi e Bluetooth de baixa energia. O Bluetooth é então usado para comissionamento e acesso local para baixa latência, e o WiFi é usado para acesso remoto via Internet.

O desafio para o desenvolvedor de design incorporado não é apenas escolher a solução certa para seu produto, mas também a complexidade de integrar rádio, pilhas de comunicação e gerenciamento de energia, tudo sem aumentar os custos.

Figura 2:Rede de uma cidade (Fonte:Getty Images, ID 811360940, Dong Wenjie)

3. Potência baixa e inferior

O baixo consumo de energia é crítico em aplicativos alimentados por bateria. Por exemplo, medidores de água inteligentes precisam funcionar com uma única bateria durante a vida útil do medidor, que pode ser de até 20 anos. Por outro lado, em uma fechadura de porta, a bateria pode ser substituída uma vez por ano e isso requer um projeto cuidadoso. Uma das técnicas usadas para economia de energia é projetar um microcontrolador de muito baixa energia para ligar por períodos muito curtos para detectar a interação do usuário. Em seguida, ele dormirá por períodos mais longos.

4. Os dispositivos estão se tornando mais inteligentes

Os designers estão procurando maneiras de diferenciar seus produtos adicionando recursos inteligentes. Os recursos inteligentes geralmente significam que um dispositivo aprende mais sobre o usuário, o ambiente e o sistema, e pode ajustar a funcionalidade.

O aprendizado de máquina é uma maneira de adicionar recursos inteligentes usando um algoritmo que pode aprender e se adaptar. Vemos o aprendizado de máquina ao nosso redor hoje:a partir do desbloqueio de sua impressão digital (combinando com um pequeno conjunto de imagens de impressão digital) ou a funcionalidade de marcação automática do Facebook. No entanto, é uma solução relativamente nova em sistemas embutidos de custo limitado.

Um ótimo exemplo de aprendizado de máquina incorporado são termostatos inteligentes. O termostato aprenderá o comportamento do usuário com base em seu estilo de vida e, com o tempo, ajustará automaticamente a temperatura para a configuração mais confortável. Para o mercado industrial, um exemplo poderia ser um sensor de vibração para motores. O sensor pode aprender a assinatura de vibração normal do motor e avisar o pessoal quando a unidade precisar de manutenção ou estiver prestes a falhar.

O desafio para designers incorporados é começar com algoritmos de aprendizado de máquina e ser capaz de adaptar algoritmos para as necessidades do aplicativo.

Figura 3:Sistema de controle climático doméstico inteligente (Fonte:Getty Images, ID 474200292, MaxiPhoto)

5. Os produtos precisam ser atualizados

Os produtos hoje raramente são enviados com o conjunto de recursos final. Por meio de atualizações over-the-air (OTA), um novo firmware pode ser baixado para adicionar recursos, corrigir bugs ou corrigir falhas de segurança, estendendo significativamente a vida útil do produto. Os produtos também devem ser projetados com espaço suficiente na memória e poder de processamento para permitir um aumento no tamanho e na funcionalidade do código.

Um desafio é garantir que as atualizações de firmware e todas as comunicações sejam seguras. Quando uma vulnerabilidade de firmware é corrigida, o sistema não deve permitir uma reversão do firmware. Se isso acontecer, a vulnerabilidade será exposta.

Figura 4:Exemplos de aplicativos incorporados que podem exigir atualizações OTA (Fonte:Imagem de Getty Images, ID 145676156, Earl Wilkerson. Ícones:Arm)

Novas tecnologias para ajudar os designers a enfrentar esses desafios

Eu descrevi os desafios enfrentados pelos designers incorporados e as tendências da indústria que os impulsionam, mas e as soluções potenciais? Eu diria que existem três técnicas de design fundamentais que impactam todas as áreas definidas acima:implementação de processamento de sinal, proteção de seu dispositivo e adição de inteligência por meio de aprendizado de máquina.

Como posso simplificar o processamento de sinal e economizar custos?

A maioria dos sistemas embarcados possui interfaces analógicas. Isso pode ser tão simples quanto ler a temperatura por meio de um conversor analógico-digital, para sistemas mais complexos, como processamento de som de vários microfones (formação de feixe) e reconhecimento de voz.

Projetos mais antigos costumavam realizar a maior parte da aplicação e filtragem no domínio analógico, mas com processadores de sinal digital dedicados (DSPs), o processamento foi movido para o domínio digital. Isso ocorre porque os DSPs são mais precisos, podem ser repetidos na fabricação e podem ser ajustados com o tempo.

Com a introdução dos controladores de sinal digital (DSCs), ou microcontroladores com extensões DSP, os projetistas podem agora ter o melhor dos dois mundos. Um único controlador que pode executar as funções de DSP e controle oferece uma redução no custo, espaço na placa e consumo de energia.

O processamento de sinal digital pode ser complexo, mas os designers não precisam ser especialistas para usar o processamento avançado. Por exemplo, Arm fornece uma estrutura de software livre para aplicativos incorporados, bibliotecas CMSIS-DSP.

Por que devo me preocupar com a segurança?

Um produto enviado com segurança inadequada pode levar à perda de dados, publicidade embaraçosa, custos financeiros e frustração do cliente. Os ataques à segurança podem abranger todos os setores e ter vários níveis de impacto, desde obter acesso a um sistema de automação residencial e ligar e desligar as luzes até espionagem industrial e obter acesso a uma rede por meio de dispositivos IoT.

Ameaças externas podem ser categorizadas em quatro tipos de ataque:comunicação, ciclo de vida, software e físico. Mas como você sabe contra quais ameaças precisa se proteger e como projetar com o nível certo de segurança para o seu dispositivo? No ano passado, lançamos uma estrutura de segurança para qualquer pessoa que projeta dispositivos conectados, Platform Security Architecture (PSA). É um processo de três estágios que fornece aos designers e desenvolvedores tudo de que precisam para determinar o nível de segurança e a mitigação de ameaças que devem optar. A documentação PSA e o código-fonte aberto (Trusted Firmware-M) tornam mais fácil para os desenvolvedores começarem.

Figura 5:Tecnologia Arm disponível para mitigar vulnerabilidades de segurança (Fonte:Arm)

Como adiciono recursos inteligentes?

Recursos inteligentes podem ser adicionados por meio da implementação de algoritmos complexos escritos por cientistas de dados. Um sistema que responde a comandos de voz pode ser implementado analisando amostras de som e comparando-as a um modelo para cada comando. O problema com essa abordagem é que ela pode funcionar bem para um usuário, mas não para uma ampla gama de usuários, e não seria robusta em um ambiente barulhento ou em constante mudança.

Recursos inteligentes que usam aprendizado de máquina exigem que o sistema seja treinado usando um conjunto de dados, como comandos de voz falados por muitos alto-falantes em diferentes ambientes e condições. Este treinamento normalmente usa servidores em nuvem. Depois que o modelo é construído e otimizado, a inferência ou uso do modelo pode ser concluída em um processador integrado.

Uma solução é CMSIS-NN, uma biblioteca de rede neural gratuita desenvolvida para maximizar o desempenho e minimizar o consumo de memória de redes neurais em núcleos de processador Cortex-M.

Nova era - novas oportunidades e novos desafios

Não há dúvida de que os dispositivos embarcados estão mais complexos do que nunca - os requisitos dos produtos estão aumentando, há uma pressão crescente sobre os custos e as preocupações com a segurança continuam a aumentar, especialmente para os dispositivos conectados.

Todos esses fatores representam desafios significativos para os desenvolvedores. Mas, a boa notícia é que a indústria está evoluindo para oferecer suporte a isso com IP, software, ferramentas e recursos de treinamento para ajudar os desenvolvedores incorporados a ultrapassar os limites do que é possível.

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Phil Burr é diretor do portfólio de produtos estabelecido no Embedded Group da Arm. Ele lidera uma equipe responsável pelo portfólio de CPU da Arm, ajudando a garantir que esses processadores possibilitem a inovação de parceiros novos e existentes. Phil também gerencia o Arm DesignStartprogram - uma rota de baixo custo e fácil acesso para Arm IP.