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クラウド･サービスとIoT端末の要件

リモートワークの時代が到来し、誰もが場所を選ばずに仕事を行えるようになりました。日々進化するクラウド･サービスによって、利便性の高いサービスが受けられるようになり、インターネットへの接続環境とIoT端末があれば、どこにいても、どの端末からでも、さまざまな体験を享受することができます。その結果、労力の削減や時短が可能になり、業務の効率化やコストダウンが実現しています。
一方、IoT端末の設計要件は、バッテリ駆動でありながら、長寿命かつデータ処理能力の高さが求められています。さらに、無防備なIoT端末はサイバー攻撃者にとっては、絶好の標的になるため、強固なセキュリティ機能も必須になります。
IoT端末を開発する上で、その中核となるマイコンには、低消費電力化によるバッテリ寿命の向上、高いデータ処理能力、さらにはセキュアなクラウド接続やFUOTA（Firmware Update Over-The-Airファームウェア更新）などが求められています。

STのIoT端末向けマイコン

STでは、IoT端末の要件に適したさまざまなマイコンを提供しています。

図1. STM32ファミリのポートフォリオ

低消費電力に関しては、超低消費電力マイコンのSTM32LおよびSTM32Uシリーズがあります。STM32LにはSTM32L0、STM32L1、STM32L4、STM32L4+およびSTM32L5シリーズがあり、STM32UにはSTM32U5シリーズがあります。特にSTM32L4、STM32L4+、STM32L5およびSTM32U5には、浮動小数点機能（FPU）およびデジタル信号処理機能（DSP）付のArm^® Cortex^®-M4またはCortex-M33が搭載されており、高いデータ処理能力も実現できます。

セキュリティ機能に関しては、STM32ファミリのほとんどの製品で、次のようなST独自のセキュリティ機能を搭載しています。

• メモリの読出しおよび書込み保護
• 内蔵メモリ（RAM、EEPROM、周辺機能のレジスタなど）に関するアクセス保護
• システムの侵入者を検知するタンパ検知機能
• デバッグ･アクセスポート遮断
• 暴走を検知するウォッチドッグタイマ
• 暗号化エンジン

STM32L5およびSTM32U5には上記の機能に加え、Arm独自のセキュリティ機能TrustZone^®を実装したCortex-M33を搭載し、さらなるセキュリティ強度を実現することができます。

図2. 広範なセキュリティ機能

FUOTAとは、IoT端末のファームウェアをWi-Fi^®などの無線通信によって配布･更新することです。FUOTAを使えば、ファームウェアの最新版を直接入手してアップデートできますので、利用者の手間が軽減され、更新忘れを防止することができます。
FUOTAを実現するには、ブートローダや内蔵Flashメモリが内部で2面に分かれている必要があります。仮想的に分けても実現することが可能ですが、ハードウェア的に分かれている方が、はるかに便利です。
STM32ファミリには、Flashメモリがハードウェア的に2つに分かれているデュアルバンクFlashメモリを搭載した製品があります。先ほど紹介した超低消費電力マイコンではSTM32L4、STM32L4+、STM32L5およびSTM32U5です。

STM32マイコンの開発環境

STでは、セキュアなクラウド接続を実現するために、次のようなハードウェアとソフトウェアの開発環境を提供しています。

• IoTノード向けSTM32 Discoveryキット「B-L4S5I-IOT01A」
• ソフトウェア･ライブラリ（STM32Cube拡張パッケージ）
• 充実したトレーニング･マニュアル

B-L4S5I-IOT01A

IoTノード向けSTM32 Discoveryキット「B-L4S5I-IOT01A」は、先ほど紹介したSTM32L4+を搭載した「AWS Partner Device Catalog」、「Azure Certified Device Catalog」に認定済みの開発キットです。
B-L4S5I-IOT01Aを使用すると、ユーザはクラウド･サーバに直接接続してアプリケーションを開発できます。低電力マルチリンク通信（Bluetooth^®LowEnergy、Wi‑Fi、NFC）、マルチウェイセンシング（動体検出、環境認識）、およびSTM32L4+の機能を活用することにより、幅広いアプリケーションを可能にします。
また、ARDUINO^®UnoV3およびPmod™接続は、専用アドオンボードの幅広い選択肢による機能拡張を提供します。
B-L4S5I-IOT01Aには、ST-LINKデバッガ/プログラマが含まれ、「STM32CubeL4 MCUパッケージ」が利用可能です。これには、STM32ファミリのソフトウェアHALライブラリと、クラウド･サーバにシームレスに接続するための様々なソフトウェア･サンプルが含まれています。

図3. STM32L4+ Discovery Kit IoTノード

ソフトウェア･ライブラリ

実際にクラウド接続を開発するためには、メジャー･クラウドに接続できるソフトウェア･パッケージが必要になります。そこで、STでは次の3つのソフトウェア･ライブラリを提供しています。

• X-CUBE-AWS･･･AWSクラウド接続向けソフトウェア･ライブラリ
• X-CUBE-AZURE･･･Azureクラウド接続向けソフトウェア･ライブラリ
• X-CUBE-SBSFU･･･セキュアブートやセキュア･ファームウェア･アップデートを実現するソフトウェア･ライブラリ

X-CUBE-AWS拡張パッケージは、エンド･デバイスとして機能するSTM32L4、STM32L4+およびSTM32H7のライブラリとアプリケーションで構成されています。B-L4S5I-IOT01A Discoveryキットに実装されているInventek社製モジュールを使ってWi-Fi接続を行います。
このソフトウェアは、B-L4S5I-IOT01A Discoveryキットで実行することができます。また、イーサネット接続とデュアルコア･コンピューティングをサポートするNUCLEO-H755ZI-Q STM32 Nucleo-144ボードでも使うことができます。

図4. X-CUBE-AWSのパッケージ･アーキテクチャ

図5. X-CUBE-AWSのセキュリティ･コンセプト

X-CUBE-AZURE拡張パッケージは、エンド･デバイスとして機能するSTM32L4、STM32L4+、STM32F4、およびSTM32F7のライブラリとアプリケーションで構成されています。X-CUBE-AZURE拡張パッケージは、次のプラットフォームで動作します。 B-L475E-IOT01Aおよび32F413HDISCOVERYボードでは、オンボードのInventek社製モジュールでWi-Fi接続を行います。32F769IDISCOVERYボードは、ネイティブ･イーサネット･インタフェースを使用します。 P-L496G-CELL02パックには、セルラー接続用のQuectel社製のBG96モデム（LTE Cat M1 / LTE Cat NB1 / 2Gフォールバック）を搭載したSTM32L496AGI6ベースの低電力ディスカバリ･ボードが搭載されています。B-L475E-IOT01Aボードの場合は、湿度、温度、大気圧の測定値などを遠隔制御で取得可能（テレメータリング）です。

X-CUBE-SBSFUセキュアブート、およびセキュア･ファームウェア･アップデート･ソリューションを使用すると、STM32ファミリの組み込みプログラムを、新しいファームウェア･バージョンでアップデートし、新しい機能を追加して、潜在的な問題を修正できます。アップデート･プロセスは安全な方法で実行され、不正なアップデートやデバイス上の機密データへのアクセスを防ぎます。ファームウェアの更新は、ファームウェア･イメージ全体、またはファームウェア･イメージの一部でのみ実行されます。
B-L475E-IOT01AおよびB-L4S5I-IOT01Aボードで提供されます。

充実したトレーニング･マニュアル

STでは、B-L4S5I-IOT01Aを使って、AWSクラウドへセキュア通信を行うトレーニング用資料を、STの汎用マイコン / マイクロプロセッサ サイトで提供しています。これは、ハンズオン･ウェビナーで使用した資料です。
B-L4S5I-IOT01AとPC（64bit Windows10）と、次に挙げたソフトウェア･ツールを揃えて、この資料に従えば、実際にAWSクラウドへセキュア通信を行うことができます。

表1. 必要なソフトウェア･ツール

実際の作業は、次の１）→２）→３）手順になります。
１） デバイスとAWSプラットフォームの準備
　1. STM32とSTSAFE-A110の間にペアリングキーをインストール
　2. SBSFUのコンパイル
　3. STSAFE-A110から証明書を抽出
　4. 抽出した証明書をAWSプラットフォームに登録

２） AWS側のセットアップ
　　 ブラウザからWebインタフェース（GUI）を使用する。
　　 AWSマルチ･アカウント登録、モノの作成および証明書の登録等を行います。
　1. デバイス証明書はST Generic CAにて署名済
　2. STの工場にて、STSAFE-A110に格納
　3. OEMは個々のデバイス証明書を読み取る ST Generic CA Certを使用してデバイス証明書を検証可能（オプション）
　4. OEMアカウントへのシングル･デバイス証明書の登録
　　 デバイス･クラウドのIDやポリシーなどを設定
　　 このプロセスは、スクリプトを使用して自動化が可能
　5. AWSがデバイス証明書を受け取り、登録されていれば通信を開始

図6. AWS マルチ･アカウント登録

３）センサ･データをクラウドに送信して可視化 　　
　　センサ･デモは、AWS標準デモを拡張し、ボード固有の機能（センサやLED）を制御します。　 　　
　　また、AWS標準デモのネットワーク初期化機能（Wi-Fi初期化など）を利用しています。
　1. デバイスからクラウドへの通信：センサ･データをAWSクラウドに送信し、シンプルなダッシュボードを使用して
　　 データを可視化する。
　2. クラウドからデバイスへの通信：AWS Device Shadowを使用してクラウドから周辺機器（LED）を制御する。
　　 LEDコントロール = Lチカ：AWSの”テスト”で、ボード上のLEDの制御を行う。

プロジェクトを上書きすることにより、以下のセンサのサポートと、LEDのコントロールが追加されます。
・湿度センサ　・温度センサ　・圧力センサ　・マグネット･センサ
・ジャイロ･センサ　・加速度センサ　・近接センサ
・LEDコントロール = Lチカ