探讨工业领域嵌入式系统开发者面临的常见挑战

2020年，思科对2000余家公司做了一次关于物联网方案设计的调查，发现超过60%的公司在项目开始时便低估了物联网方案的复杂性，并且75%的项目最终被认为是失败的。在所有提到的失败原因里，排在前几位的分别是进度延迟、预算超支、集成工作的复杂度和经验缺乏。无独有偶，近期微软的调查也揭示了类似的结果，集成工作的复杂度和技术障碍是最大的挑战。今天，我们一起来探讨工业领域嵌入式系统开发者所面临的常见的挑战。 日益增长的系统复杂度、集成无线连接、确保产品安全、满足多样化的应用需求、产品设计不过时，以上是开发者所面对的最常见的五大挑战，下面我们将针对这些挑战进行一一分析，并分享Digi为客户所提供的对应解决方案。  

日益增长的系统复杂度

    传统的嵌入式系统设计非常简单直接，系统通常基于单核的处理器/单片机，编写一个主程序，功能在程序的循环体中实现；也有基于轻量级的RTOS系统，实现简单的多任务处理功能。处理器主频通常为几十兆赫兹或者一两百兆赫兹，系统集成了基础的外围接口包括串口、ADC采样、GPIO等。   在过去，传统的嵌入式系统设计方式能很好地完成任务，但在今天，众多应用对于运算能力、强大丰富的外围接口支持和高端的人机交互界面方面的需求在逐步提高。为了满足这些需求，系统不得不考虑采用多核系统，使用更强大的RTOS、Linux或者两者同时使用。越来越多的协议栈或库需要被调用，比如无线协议栈、云连接、安全库以及其他第三方的库文件。除此之外，开发者还需要处理越来越复杂的驱动程序、匹配高主频处理器的设计、低功耗设计等其他方面设计。   为了应对日益增加的系统复杂性，Digi提供了更高级别的硬件和软件集成。从硬件开始，下面是典型的Digi ConnectCore SOM主控模块的样子。

我们以NXP i.MX/ST应用程序处理器为基础，添加了一个Cortex-M0微控制器作为协处理器，从而实现电源管理、系统可靠性和篡改侦测等高级操作。此外，我们还添加了一个专用的安全芯片，以实现额外的安全层。电源管理IC、高速存储器和预认证的双频Wi-Fi和BT连接都被添加到SOM里，并配有RF屏蔽罩。

  当翻转SOM时，您会看到Digi创新的SMTplus外形。对于简单的应用，可以使用外边缘周围的槽形衬垫。对于更复杂的应用程序，完整的LGA引脚可用于获得处理器所有功能的完全访问。    

在软件方面，我们基于Yocto项目提供了一个完整的开源Linux解决方案。首先从上游项目（如U-boot和Linux内核）引入最新版本，并集成NXP/ST的BSP。除此之外，我们还为Digi SOM平台以及开箱即用的软件扩展添加了定制功能，以帮助用户加快软件开发。一些示例包括Digi的TrustFence安全框架、无线驱动程序、安全固件更新、第三方云集成和低功耗优化，以实现从低功耗暂停到RAM模式的超快唤醒。我们提供预编译的SDK和工具链、流行的IDE插件和全面的在线文档。最重要的是，我们对SOM执行全面的系统验证，并随着时间的推移不间断的维护软件，以纳入重要的更新和安全补丁，并且在Android上应用相同级别的集成。   除了高度集成的硬件和软件外，还有一套开发工具，可以进一步简化常见的设计工作。我们与NXP、Azure和AWS等行业领导者合作，为市场带来更完整的解决方案。实力雄厚客户支持团队和内部设计服务部门，能及时响应全球各地的客户需求，第一时间为他们提供帮助。    

集成无线连接

  为产品添加无线功能需要特定的射频专业知识和设备，在无线协议、全球监管和行业认证的快速变化的大环境下，要想实现这一功能并不容易。用户需要持续投资，以保持最新技术，在组件过时后还要进行重新设计，并更新认证。当然，您可以通过学习来增加这些专业知识，但重要的是要考虑机会成本，以及这是否是您真正希望集中研发资源的地方。 关于这个挑战，Digi在三个方面为您提供帮助：   首先，Digi-ConnectCore SOM完全集成了Wi-Fi和蓝牙等典型无线通信协议，并增加了对高级功能的支持，如快速漫游和Cisco扩展，这些功能对许多企业应用程序都很重要。   其次，Digi-XBee生态系统更具灵活性，支持领先的物联网标准，如LTE蜂窝网协议、网状网协议和以及远距离通信的Sub GHz的产品。XBee优点是易于使用且引脚兼容，在新技术出现时，更新产品或在一系列产品中支持多种协议都很简单。   最后，Digi的无线设计服务团队拥有从射频硬件和软件设计、认证和制造支持的完整能力，能够为您提供全面的支持和服务。    

确保产品安全

   构建安全的产品很难，但保持产品安全更难。由于规模和任务的关键性，工业应用往往容易成为网络攻击的目标，维护嵌入式的工业和医疗设备安全的挑战越来越大。许多嵌入式设备部署在远端，在传统的IT网络和安全工具保护体系之外。在产品的漫长生命周期里，黑客有很多时间来研究设备，寻找漏洞。此外，许多系统都是电池供电的，并不总是在线，这使得监控和更新更具挑战性。   对此，Digi提供了内置主动安全防范的TrustFence框架。TrustFence是一个设备安全框架，它简化了保护连接设备的过程，您无需成为安全专家即可实现安全引导、固件更新、加密文件系统或证书管理等功能。TrustFence的核心是基于NXP i.MX/ST的基本安全功能，结合基于硬件的安全元素和u-boot、内核以及用户空间中的软件扩展。   此外，我们深知设计安全的产品只是第一步，为了支持长生命周期，TrustFence是可扩展和可升级的，Digi的安全中心解决了常见的漏洞和风险，包括持续监控、警报和通知。    

满足多样化的应用需求 

  客户越来越多地为大量的应用程序和性能需求进行设计。我们常常看到一些客户希望同时推出整个系列的产品，这些产品共享开发团队，研发资源非常有限，所以需要能以最小的代价实现性能和成本的自由伸缩，以便开发出满足不同价格和性能的一系列产品。   Digi提供了在相同封装下，集成不同主处理器和配套资源，从而提供不同性能和成本的解决方案，最大化地减少硬件的重复设计。相同的开发环境保证了客户开发软件的重复使用性，客户为旧的SOM设计的应用程序几乎不用太大的更改就可以运行在新的SOM上。这大大降低了客户开发的成本，缩短开发周期，让产品可以更快地推向市场。

产品设计不过时

  工业领域许多嵌入式系统的预期使用寿命为10-15年，在此期间会发生很多变化，如供应链的变化、需求的变化、再升级的需求等等。   Digi的SOM至少10-15年的供货承诺，可以完美适用诸如医疗、电信、工业自动化等工业领域，充分匹配主芯片厂商的长期供货承诺。部分元器件的停产、替换的工作由Digi完全负责，无需客户额外投入研发资源，从而保证了客户产品的生命周期。

  针对客户后续产品的迭代升级，Digi提供相同封装和开发环境的性价比高低不同的新一代SOM，极大地减少客户开发的重复工作，节约开发成本和时间。   Digi ConnectCore具有一系列基于NXP i.MX和ST的SOM模块和单板计算机可扩展系统。到目前为止，我们的解决方案覆盖了从单核的A7到多核的A7、A35、A53、A55处理器，具有广泛的多媒体和连接选项。通过利用我们的通用平台和软件环境，您可以将ConnectCore快速集成到具有不同性能、功能和价格水平的全系列工业产品中。    

编辑：黄飞