上周召开的ARM TechCon大会着眼于小型物联网设备的安全性问题发布了一系列重要新闻，不过除此之外亦有大量其它有趣的技术成果在这里得到展示。从系统芯片设计到用于位置服务的软件代理，可谓一应俱全。在今天的文章中，我将与大家分享我个人认为最为有趣的十大技术方案。
(图片来源: AdaCore)
Ada开发迈向物联网时代
AdaCore公司带着其专门用于Ada编程语言的多种开发工具参加了本次展会，这也向物联网开发者们发出了明确信号：Ada又回来了。“我们的开发工具在传统上一直被用于航空航天及国防工业领域，”AdaCore公司业务发展负责人Quentin Ochem在会上接受采访时指出。“不过我们目前正在将业务范畴扩大至物联网与汽车行业。”Ochem解释称，很多开发者在固有印象中可能仍然将Ada视为一种糟糕的编程语言——这样的印象主要源自其早期版本口碑低下的状况。然而，这些问题早已得到解决，Ada 2012作为自Ada初代发布后三次升级的最新产物，已经成为一款成熟且基于标准的语言选项，Ochem指出。
Ada在设计上专门用于解决特定问题，具体包括测试、质量保证、新平台移植以及通过有效方式简化开发并实现代码长期维护，从而对已部署软件的功能进行升级等。由于Ada各工具会在软件开发过程中对其进行验证，因此Ada项目特别适合那些高度关注软件质量与可靠性的开发工作。目前，避免因软件内部缺陷而造成安全违规已经成为物联网领域日益关键的重要议题，Ochem表示，而Ada很有可能将在这一领域大放异彩。
为此，AdaCore公司目前正在开发一款专门面向物联网市场的全新产品线，Ochem指出。他预计相关工具将在2017年年底正式发布。
地理位置定位
Comtech Telecommunications公司在本次大会上展示了其Location Studio产品，其能够在无需影响BoM以及限制要求的前提下帮助物联网设备访问地理位置服务。无需GPS系统或者外部信标装置，这套物联网定位平台（IoT Location Platform，简称ILP）即可为设备提供其地理位置信息，并根据这部分信息执行多种与位置相关的操作——包括追踪与地理位置限定等。
(图片来源: Comtech Telecommunications公司)
为了保证其不致影响到物联网设备的设计，这套系统采取了一种分而治之的解决办法，Comtech公司的Sameer Vuyuuru在采访当中解释称。相较于在设备本体之上执行位置计算，他表示，该公司选择利用一款2 KB软件代理直接通过设备接入的无线连接进行信息捕捉，具体包括信号强度与服务器ID码等，而后再向Comtech服务器发送一条短（约200字节）消息，从而由该服务器将这部分信息计算为固定位置。通过这种方式，Comtech公司得以为物联网设备用户提供一系列基于地理位置的服务项目，其中包括对设备位置时行实时绘图。
这套方案适用于任何已经接入无线电及其它资源的物联网设备，Vuyuuru解释称，其中包括在加速度计可用的情况下推算其运行位置。当然，实际准确性取决于具体资源。举例来说，基于GPS信号快照的位置计算结果要比单纯依靠Wi-Fi更加精确。Vuyuuru同时指出，该软件代理需要针对设备上所使用的操作系统进行定制化调整，从而访问到必要的数据。
电阻式RAM在速度上超越闪存
Crossbar公司已经开发出一项基于非晶硅反熔丝态的非易失性内存技术，其将此称为电阻式RAM（简称RRAM）。这项开发工作如今已经获得回报，根据该公司副总裁Sylvain Dubois介绍，此项技术成果开始全面进入商用。Dubois在采访中解释称，该公司已经签订了第一份制造合作协议，将其技术以40纳米制程工艺形式生产。另外，该公司还在将这项技术授权给各家芯片开发商。
Crossbar公司的电阻式RAM能够在对存储器单元进行编程时创建一条导电长丝，从而改变两个焊点间的电阻值。(图片来源: Crossbar公司)
RRAM单元为位于两块非晶硅金属片之间的垂直电阻层。该设备可通过跨层施加电压以创建穿过该层的受控导电“灯丝”的延伸，从而实现数据存储。然而该导电丝的默认长度并不足以对接两个金属层，这意味着延伸形态可以逆转，从而消除该导电丝的存在。编程与非编程状态下，单元间的电流通过量比值为100：1，因此存储单元的当前状态非常明确。由于采用单元的物理变化机制，因此即使不存在完整的供电能力，该存储器仍能够表现出非易失特性。另外根据Dubois的估计，该项技术能够实现高达100万次使用寿命周期。
RRAM的读取/写入电路设计允许整套阵列在约20纳秒内实现单元访问，而字节级别写入访问则在1到2 µ秒左右，Dubois表示。这样的速度表现使其具备远优于传统闪存的访问速度，同时能够通过消除数据块擦除操作以改变内存位置的作法而进一步节约能源。这样的单元结构能够紧密契合于两个金属层之间，因此其存储密度优势更大，且能够创建3D阵列架构。
让物联网设备长期在线
作为本届大会上的年度最佳软件产品奖得主，Device Pilot公司发布的这项软件即服务方案能够实现物联网设备的自动化管理。根据该公司COO Keith Reed所言，这套系统的执行原理在于将部分物联网数据提取出来并发送至云端，而后再进一步传输至该服务中（大家可以根据需求过滤或者限制所传输的数据）。这套系统随后会利用该数据流估算系统中每台物联网设备的运行状态，并根据需要执行操作。举例来说，如果某台设备停止发送数据，或者其发送的数据与规范不符，那么该服务能够提醒设备拥有者（或者联系服务供应商）当前问题或者直接采取行动，从而自动解决故障。“自动化是实现物联网规模化部署的必要前提，”Reed在采访当中解释称。“如果大家拥有大量设备，例如100台设备，那么以人工方式进行监控显然是不切实际的。”
DevicePilot公司的SaaS方案能够自动管理物联网设备，监控其运行状态并在无需人为介入的前提下根据需要执行相关操作。(图片来源: DevicePilot)
根据Reed的介绍，其中关键在于管理并以自动化方式维护整个流程，而非单纯着眼于设备。他以烟雾探测器作为讨论实例，Device Pilot系统能够根据监控烟雾探测器收集到的数据监控其“心跳”，并在电池需要更换时及时发现这一状况（既可根据设备发出的电池状态数据判断，亦可单纯根据该设备因断电而停止发送数据判断）。在此之后，系统会向用户发出一封电子邮件，用以提醒进行电池更换。此外，其还能够监控该设备的数据，了解电池是否已经确实进行了替换，如果仍未更换则系统会采取更为明确的主动提醒。
降低系统芯片设计风险
FlexLogix公司CEO Geoff Tate对于系统芯片设计工作作出解读。“这是一片竞争火热的市场空间，”Tate表示，“且存在着众多客户活动。事实上，有竞争对手已经明确表示，嵌入式FPGA的时代已经到来。”
FlexLogix公司嵌入式FPGA知识产权中提出的可重新配置构建块（简称RBB）能够为系统芯片设计带来密度更高的硬件可编程能力。(图片来源: FlexLogix)
Tate解释称，FlexLogix公司的独特之处，在于该公司一直将精力集中在知识产权许可而非生产芯片身上。他们设计出专门的测试芯片，用于改进芯片设计效果，他指出，但这并不代表实际生产产品。“同时推进芯片与知识产权业务是项艰难的任务，”他指出。相反，他们着眼于帮助系统芯片设计厂商将FPGA的灵活性引入自身设计，从而对产品者深入改进，并利用关键性接口的可配置性帮助厂商在应对规范或标准变化时承受更低的潜在风险。
该公司还提供一系列补充性工具，旨在简化将FPGA引入芯片时的设计技术。他同时指出，该工具允许开发者们利用与固定逻辑方案相同的RTL描述设计FPGA系统芯片方案。FlexLogix公司的工具随后会将该RTL翻译成FPGA块所能够接受的编程指令。
私有LoRA网络开始普及
“随着物联网时代的来临，蜂窝网络的规模开始快速增长，”Multi-Tech公司工程技术与创新高级副总裁David Smith在采访当中表示。“而LoRa方案也将由此迎来飞跃。”不过他同时补充称，转变目前也正在发生。“公共网络的初始LoRa模型在大规模私有网络当中已经无法起效，”Smith指出。从农业到麦当劳，企业开始越来越多地利用LoRa作为私有本地单元聚合体，而非对公共LoRa网络进行调整。“对他们来说，这种作法在成本上要比访问公共网络更低，”Smith表示。
这台基站能够在相关广阔的区域内支持数千台LoRa设备。(图片来源: Multi-Tech公司)
为了应对这一趋势，Smith表示Multi-Tech公司已经创建出一套强化版基站，其能够在半径达10英里的区域内支持数千个终端节点，并将本地信号单元与广域网进行连接。这套架构允许用户在建筑物或者企业园区之内创建私有LoRa网络，而后再通过云将这些网络加以整合。其结果是，我们仅需要一套私有网络即可跨越多个地理位置部署并管理大量物联网设备。
Smith同时暗示称，LoRa联盟一直在致力于为无线标准打造漫游策略。“LoRa已经允许实现塔到塔漫游，”Smith介绍称，“但这套方案则允许设备实现运营商到运营商的漫游。”其甚至将允许设备在私有与公有网络之间进行漫游，这意味着资产追踪等应用能够涵盖不同私营网络企业并发挥作用。
模块设计提升技术灵活性
来自Pro Design Electronic公司的ProFPGA原型设计系统能够帮助开发人员创建完整的系统芯片原型，从而用于在芯片生产完成之前即开始系统软件的测试工作。开发者们能够选择利用单、双以及四插槽基板接入任意FPGA模块，从而构建起自己的设计方案。这些模块随后可彼此对接以共享调整信号，其最高并联能力为五块基板，进而构建起完整设计所必要的原型资源。每个FPGA模块亦能够接入约60种不同的IO模块，用于在无需消耗FPGA资源的前提下实现功能。在本届大会上，该公司展示了其五套最新FPGA模块，它们基于Xilinx Virtex Ultrascale设备家族且配备有多种逻辑功能及时钟速率。
基于模块FPGA的原型设计系统能够帮助开发者们更为灵活地进行设计思考。(图片来源: Rich Quinnell)
“利用FPGA进行原型设计在速度上要远高于纯模拟机制，”该公司北美销售主管John Joekstra在采访中表示。“当然，其速度仍无法与成品芯片相比肩，但对于大多数开发项目而言，其表现已经非常出色了。如果开发者能够将时钟速率提升至10到80 MHz，那么软件工程师们将会非常满意。这样的性能已经足以在数分钟内引导一套操作系统——而不再像过去那样需要一整天。”
ProFPGA系统的核心优势之一，Hoekstra补充称，在于其出色的灵活性。用户能够随意根据需求在主板内组合不同类型的FPGA，他指出。
Thunderboard旨在建立基于传感器的物联网设备
虽然已经在本次展会上亮相，但目前仍未正式发布的Thunderboard React工具包来自Silicon Labs公司，旨在帮助开发者们通过简化思维尝试流程以构建起基于传感器的物联网设备，该公司物联网产品市场营销主管Tom Pannell表示。“这是一套将设计灵感变为现实的工具包，”Pannell表示。除了能够开箱即用的演示软件之外，“该工具包还为开发人员提供全部移动应用、云服务以及设备代码，”他补充称。
这套传感器到云Thunderboard开发工具包当中囊括有云及移动应用的软件源代码。(图片来源: Silicon Labs)
这块单片采用该公司的低功耗Mighty Gecko Cortex-M4 MCU，一套蓝牙智能无线模块，外加一整套该公司的传感器装置，能够同时作为展示平台及原型设计载体。传感器选项中包括红外线指数与环境光、数字化温湿度检测、霍尔磁效应与六轴加速度计等功能。其移动应用还提供信标通知，允许将用户视图与单片数据流发送至云数据库当中，亦允许通过板载按钮及LED进行远程读取及控制。全部源代码皆通过GitHub公布。
Ultrasound创造有形的虚拟物体
在会议休息期间，记者参加了Ultrahaptics组织的虚拟对象创建系统展示。这项创新技术利用相控阵超声波测距仪在阵列之上的任意点处创造出高达4个标准气压的圆锥体。通过以20千赫速度刷新标准点的位置，阵列能够创造出空间内存在物理对象的错觉。这种触感虽然很轻（类似于触摸肥皂泡），但却非常清晰。其目标在于向手势控制系统内引入物理触感，从而帮助并引导用户实现交互。该矩阵能够轻松创建出旋钮、按键以及滑块等对象，外加各种表面纹理选项。
Ultrahaptics公司的开发者工具包允许用户体验有形的虚拟控制机制。(图片来源: Ultrahaptics)
该公司目前已经公布了一套全新开发工具包，专门面向那些对这项技术抱有兴趣的用户。这套即将于2017年1月全面推出的工具包将包含超声波阵列与系统软件，能够完成多种开箱演示效果。另外，该工具包还将提供C++ API，允许开发者将其接入自己的应用程序以实现虚拟且有形的触觉界面设计。另外，传感器系统设计也已经作好生产准备，能够轻松将该技术嵌入至用户设计方案当中。
Zephyr项目旨在将实时能力引入物联网
物联网开发者将迎来一款体积仅为9 KB的实时操作系统，而这一切都要归功于Zephyr项目。其开源、社区创建型代码可基于宽松的Apache 2.0许可从Linux基金会处获取，从而尽可能简化其使用与部署流程。根据NXP单片机软件设计师Maureen Helm在本次大会上的介绍，该项目的核心价值在于创造一款具备模块化、高安全性以及连通性的操作系统。“这套基于代码库的RTOS的设计思路，”Helm介绍称，“在于帮助用户确切根据需求选择组件。”
这款开源RTOS利用模块化结构，允许开发者仅利用其必要的功能组件，从而尽可能减少内存需求量。(图片来源: NXP)
Helm指出，这套RTOS的出发点在于利用体积仅为2 KB的微型内核经由“纤维”实现基本调度能力：“软件任务会一直运行至结束，除非其调用一条阻断纤维，后者将替代其运行。在未来的开发当中，我们将为RTOS添加通信支持能力，让整体架构的微型内核体积稳定在50到900 KB之间，具体取决于协议堆栈、驱动程序以及其它开发者们需要加入的功能。”
基于Zephyr RTOS的软件能够编译为静态二进制代码，Helm指出，从而进行固定的内存与资源分配。“大家可以将RTOS与应用进行共同构建，”她解释称。结果就是，这将让物联网设备具备一定程度的抗网络攻击能力。因为外部探针将无法注入或者更改系统代码。
RTOS的开发工作仍在继续，Helm表示，其每个季度都会推出新版本，而且将与其它开源项目一样依赖于技术社区进行bug修复以及新功能倡导。“我们的目标是利用该模型打造微控制器界的Linux，”Helm总结称。
原文发布时间为：2016年11月5日
本文作者：孙斌
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