CN111819557B - 监控IoT设备的方法及其在IoT设备电池保护看门狗上的用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监控物联网(Internet‑of‑Things，IoT)设备的方法。本发明的目的是提供一种能够检测设备故障问题、帮助防止黑客攻击并增加物联网设备可靠性的方法或装置，所述目的通过以下手段解决：监控所述设备的功能行为；验证所述功能行为，并将所述功能行为与所述设备的定义的配置功能行为限制进行比较；基于所述功能行为与所述设备的定义的配置功能行为限制之间的比较，由与所述IoT设备关联的看门狗发起操作。

Description

监控IoT设备的方法及其在IoT设备电池保护看门狗上的用途

本发明公开了一种监控物联网(Internet-of-Things，IoT)设备的方法。

保护这些设备的重要性越来越受到关注。许多物联网设备的当前安全级别很差。2016年，智能家居和物联网产品的首例分布式拒绝服务(distributed denial ofservice，DDOS)攻击已有记录。已知有对光控制系统的成功攻击。

当前通信系统，例如PC、笔记本电脑、手机或平板电脑，中的问题和故障监控解决方案主要基于软件。但是这些软件本身也可能包含问题，并且容易受到黑客攻击。物联网设备的当前解决方案是从此类产品衍生而来的，但并不完全匹配此类新产品的需求。

在集成电路(integrated circuit，IC)级别上，基于硬件且因此与软件无关的安全特征(看门狗)是公知的，主要用于IC保护目的，例如欠压/过压保护和老化。如果看门狗发现有问题，则IC停止活动。

数量庞大的网络设备未必总能物理性访问以，例如，通过重置按钮进行硬重置或者进行电池拆卸/充电，这提出了新的课题，需要新的技术方案。保护电源避免出现不必要的放电，这是航空航天应用中通信系统的一项常见任务，但是在价格非常低廉、数量非常庞大的消费类产品中，其高优先级还是相当新鲜的事物。

物联网(IoT)设备这个类别就是很新鲜的事物。这些设备通常连接到网络。它们便宜地生产并大量出售。当然，这些产品并非绝对没有硬件和软件错误。

需要建立简单而鲁棒的方法，保护它们免受可能导致设备整体故障或其他设备和(网络)服务意外干扰的故障的影响。基本的安全特性应当是易于实现且独立于软件的，以提高其可靠性，防止受到黑客攻击。

许多IoT设备一旦投入运行就无法物理性访问。这些有例如街道路面、动物或其他不易接近的地方的传感器。保护这些设备的电池电量很重要，因为电池无法充电或更换。如果电池电量耗尽，则整个系统将被破坏。因此，防止电池因硬件/软件故障或黑客攻击导致的设备故障问题(例如大运算量、反复重启或反复射频发射)而导致的不必要的耗电，这对于IoT设备而言非常重要。

因此，本发明的目的是提供一种可以检测设备故障问题的方法或装置。本发明将有助于防止黑客攻击、提高IoT设备和IoT网络的可靠性，例如保护此类设备的电池电量，从而克服上述问题。

本发明的目的将通过一种控制物联网(IoT)设备的方法来解决，该方法包括：监控所述设备的功能行为；验证所述功能行为，并将所述功能行为与所述设备的定义的功能行为限制进行比较；基于所述功能行为与所述IoT设备的所述定义的或配置的功能行为限制之间的比较，由与所述IoT设备关联的看门狗发起操作。

IoT设备是包括至少两个部分的物理设备。第一部分提供了特定的功能，例如用于工业或个人应用。这可以是例如测量温度的温度计。其主要目的不是通信或计算。第二部分是典型的无线通信调制解调器。它提供的联网功能使该设备可以链接到通常的无线或有线通信网络并交换数据。

物联网是现有互联网基础架构中此类非标准通信和计算设备的网络。其链接的IoT设备使能新的业务和商务应用程序，例如用于家庭和工业自动化和监控目的。

IoT设备通常可以描述为状态机。它具有若干状态，以及描述从一个状态到另一个状态的转换的若干功能。配置数据和触发事件影响这些功能的执行和行为。达到的状态的顺序和种类以及触发的状态转换的频率表征了状态机的功能行为。存在这些行为的规则和限制。其中一些容易监控并与定义的/配置的功能行为限制进行比较。

状态转换被理解为在IoT设备中调用或处理的功能。这些功能可以内部或外部触发。例如，设备可以被外部接收到的信号唤醒以传输数据，或者内部定时器可以使设备唤醒以传输数据。由于硬件/软件故障或外部黑客攻击，触发事件和功能可能会被破坏。这可能导致系统部分或全部故障，直至设备完全损坏，例如当电池电量完全耗尽时。

配置数据包括影响功能和状态行为的所有IoT设备和网络提供商特定的数据。这些有例如网络提供商的接入数据、调制解调器的性能数据(例如支持和不支持的功能)、时序信息和校准数据。

定义的和/或配置的功能行为限制应理解为一种系统或设备设置数据，该数据定义应有利地从IoT标准得出的例如时间限制，计数限制和周期。功能行为限制数据可以存储在设备的ROM代码中。从而，数据是可配置的，但是受到保护以防止软件访问，例如由于黑客攻击导致的软件访问。

看门狗将定义的/配置的功能行为限制与观察到的状态机行为，也即IoT设备的功能行为，进行比较。在本发明中，看门狗主要是可配置的硬件计数器，其将测得的计数器值与时间戳以及某些状态和功能的给定行为限制进行比较。看门狗监控例如在定义的周期内调用和执行功能的频率和时间。因此，在一个实施例中，该方法还包括：如果所述功能行为超过定义的功能行为限制，则所述看门狗变为活动状态，并触发专用系统恢复序列。如果测得的例如对于一个特殊功能或状态的访问时间或计数器计数之一在定义的周期内超过了定义的限制，则看门狗将变为活动状态，并触发功能序列，以将系统从故障恢复为正常操作，此即所谓的系统恢复序列。

在另一个实施例中，该方法还包括：如果所述功能行为保持超过定义的功能行为限制，则所述看门狗保持被动，并且监控所述功能行为并将其与所述设备的定义的功能行为限制进行比较。所谓保持超过定义的限制，意味着系统或设备的运行并无故障。即看门狗不需要中断过程以节省电池电量和保护设备免受完全故障的影响。

优选的还有将该功能行为的所述看门狗集成到其他常见看门狗系统中，所述其他常见看门狗系统监控参数，尤其是温度或老化或欠压和过压值。使看门狗变为活动状态的决策过程可能会变得更加复杂，但这将成倍提高可靠性和寿命。

在本发明方法的另一个优选实施例中，所述看门狗是可配置的硬件计数器，其通过计数器值监控所述功能行为，并且所述计数器值被与定义的时间戳和给定的时间限制进行比较，和/或通过将值水平与定义的限制进行比较。计数器值是用于检测例如一个过程多久被请求一次的参数，该过程例如射频接收和/或发送请求。依据与在功能行为限制中配置的定义的时间戳和给定的时间限制进行比较的计数器值，看门狗决定某过程是否应当中断。这同样适用于值水平，这些值水平也是被监控并与系统配置数据中的预定义功能行为限制进行比较的参数。

其中可以看出的特殊效果是：通过简单地测量和监控系统参数，可以提高设备的整体性能和可靠性，从而可以延长设备的使用寿命。在不需要人工操作员的情况下检测系统问题并触发专用的系统恢复序列具有的效果是：可以快速检测并修复设备的故障，并且让设备自行解决。这样可以防止设备将电池电量浪费在例如大运算量、反复重启或反复射频发射等方面。这对于IoT设备而言尤其重要，因为这些设备以大批量制造追求较低的价格，用于一旦投入运营后就无法对其进行物理访问的场景。

在优选实施例中，所述系统恢复序列包括所述看门狗、系统重置例程、重置保持和释放计时器、安全固件恢复例程和系统重启例程。

由此，所述系统重置例程、所述重置保持和释放计时器、所述安全固件恢复例程和所述系统重启例程是可配置的。这是使恢复过程自动适应出现的问题所需要的。至少，如果无法解决该问题，可以停止无休止地触发系统恢复序列，从而保护电池电量，等待操作员，且不会因不必要的传输而干扰网络等。

如果看门狗包括看门狗操作计数器，则是非常有利的。看门狗计数器用于确定系统恢复序列是否成功。这个特殊的看门狗操作计数器用于监控看门狗在某一时间段触发操作的频度。它还考虑了系统恢复序列的运行时间。

如果完成的系统恢复序列和新的触发操作之间的时间相对较短，则系统恢复序列失败。然后，系统恢复序列将以更高的重置级别，使用其他参数重新运行。重置参数的数量以及重置和保持时间将增加。重置参数也可能会更改。从某个重置级别开始向上，也可以在安全固件恢复模式下替换固件。

如果完成的系统恢复序列和新的触发的操作之间的时间过长，则发生了新问题。系统恢复序列从其初始配置开始。

系统重置例程用于重置某些系统参数。重置参数的数量和值取决于从看门狗操作计数器确定的重置级别。系统恢复序列被触发的越多，就会使看门狗操作计数器增加，让更多的参数被恢复为默认值。

系统重启例程用于使用新参数来重启系统。

在本发明的还一个实施例中，从某个重置级别向上，所述安全固件恢复模式可以由所述系统恢复序列访问，以替换所述系统固件。为此，系统可以以某种方式等待外部帮助，例如由可以替换系统固件的管理员执行的帮助。

重置和保持时间可以作为重置级别的函数而增加，并且/或者在某个重置级别，设备可以自行关闭而不会使其他设备或网络服务被干扰。

优选的还有让所述系统恢复序列可以根据所述看门狗操作计数器来重置不同的系统参数，在某个阶段这可能导致恢复出厂设置。

在本发明方法的另一实施例中，所述系统恢复序列可以根据所述看门狗操作计数器而停止工作或等待外部操作/触发。如果系统恢复序列无助于克服所检测到的问题的根本原因，则为进行外部操作/触发而停止或等待很长时间将是有用的。

在本发明方法的另一个优选实施例中，所述看门狗数据，例如所述IoT设备中的所述重置级别值、计时器和计数器，在所述IoT设备处于重置状态时被保持并运行，以便能够确定下一轮所述系统恢复序列的配置。

此外，有利的是，将所述看门狗和所述系统恢复序列用以通过将超过定义的时间限制或计数限制和周期的过程中断来防止所述IoT设备的电池耗电。通过中断由设备或系统的故障或黑客攻击引起的过程，可以防止设备的电池耗电。通过设备的异常行为来检测故障或黑客攻击，例如如果设备反复尝试重启或具有异常高的计算负载。这种异常行为将由监控计时器限制和设备的重置级别的看门狗检测。

使用示例性实施例，将更详细地解释本发明。

附图示出：

图1由看门狗触发的系统恢复序列。

图1示出了控制数据处理IoT设备的本发明的方法，尤其是控制该设备的电池的方法，其包括：硬件看门狗1，其监控在定义的周期内，调用基本系统功能的频度和时长，以监控消耗的电池电量。

如果在定义的周期内测得的访问时间或计数器计数中有一个超过给定的限制，则看门狗将变为活动状态，并触发专用的系统恢复序列2。系统恢复序列可以自动适应于遇到的问题，如果问题无法解决，则停止。这可以防止系统不必要的电池耗电，因为IoT设备的电池通常无法更换或充电，电池耗电可能导致系统完全故障。只有看门狗1和智能系统恢复序列2一起提供扩展的电池保护功能。这增强了系统针对软件问题和黑客攻击的鲁棒性。对于软件/硬件故障和黑客攻击，系统变得更加安全，以保护系统免受永久性设备损坏。

本发明描述了一种硬件看门狗1，该硬件看门狗1监控在定义的周期内系统功能被调用的频度和时间。一些重要的系统功能为射频接收、射频传输和系统重启。如果在定义的周期内测得的访问时间或计数器数值中有一个超过定义的限制，则看门狗1变为活动状态，并触发专用的系统恢复序列2，可参见图1。

看门狗1是可配置的硬件计数器，其将测得的计数器值与时间戳和给定的时间限制进行比较。

看门狗配置数据，例如时间限制、计数限制和周期应从IoT标准得出。这些数据应当是可配置的，但是受到保护以防止软件访问，例如由于黑客攻击导致的软件访问。因此，存储在ROM代码中的参数可能是优选解决方案。

系统恢复序列2通常应由下列元素组成。外部访问以替换系统固件6也应该是可能的，但可能不是必需的。重置保持时间4(见图1)也应取决于看门狗计数器的值。例如，如果看门狗仅调用重启序列，则阻止反复系统重启7是没有意义的。如果系统本身无法放弃循环8“看门狗触发操作-系统恢复序列-看门狗触发操作”，则应根据看门狗操作计数器值来增加重置保持时间4。为此，系统可以以某种方式等待外部帮助，例如由可以替换系统固件的管理员执行的帮助。此等待时间可以增加，或者在一定的重启限制下，设备可以自行开关而不会干扰其他设备或网络服务。

重置级别3还应取决于一定周期内的看门狗操作计数的数量。因此，例如，循环计数较高时，系统不应仅应用系统重启7。也可以开始根据所述看门狗操作计数器来重置不同的系统参数，在某个阶段这可能导致恢复出厂设置。

系统重置3应该独立于看门狗。这意味着在系统处于重置状态时，所有看门狗数据、计时器和计数器都应保持并运行。

看门狗1可以观察更多的过程和功能。使看门狗1变为活动状态的决策过程可能会变得更加复杂。其他参数，例如温度，也可以纳入考虑。看门狗1可以集成到其他标准看门狗中，例如温度、老化或过压看门狗。

恢复序列2可以通过更多的添加的元素、子序列和条件序列执行来加以改进。

附图标记列表：

1、看门狗

2、系统恢复序列

3、系统重置

4、重置保持定时器

5、从重置释放

6、安全固件恢复例程

7、系统重启例程

8、循环

9、系统重置例程

Claims (13)

1.一种监控物联网IoT设备的方法，所述方法包括：监控所述设备的功能行为；验证所述功能行为，并将所述功能行为与所述设备的定义的功能行为限制进行比较；基于所述功能行为与所述IoT设备的所述定义的或配置的功能行为限制之间的比较，由与所述IoT设备关联的看门狗发起操作；

所述方法还包括：如果所述功能行为超过所述定义的功能行为限制，则所述看门狗变为活动状态，并触发专用系统恢复序列；

其中所述系统恢复序列包括所述看门狗、系统重置例程、重置保持和释放计时器、安全固件恢复例程和系统重启例程，从重置级别向上，所述安全固件恢复例程由所述系统恢复序列进行访问，以替换系统固件。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：如果所述功能行为保持超过所述定义的功能行为限制，则所述看门狗保持被动状态，并且监控所述功能行为并将所述功能行为与所述设备的所述定义的功能行为限制进行比较。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述功能行为的所述看门狗被集成到看门狗系统中，所述看门狗系统监控参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述参数是温度或老化或欠压和过压值。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述看门狗是可配置硬件计数器，所述可配置硬件计数器通过计数器值监控所述功能行为，并且所述计数器值被与定义的时间戳及给定的时间限制进行比较，和/或通过将值等级与定义的限制进行比较。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述系统重置例程、所述重置保持和释放计时器、所述安全固件恢复例程和所述系统重启例程是可配置的。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述看门狗包括看门狗操作计数器。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述系统恢复序列根据看门狗操作计数器重置不同的系统参数，重置不同的系统参数导致恢复出厂设置。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述系统恢复序列根据看门狗操作计数器停止工作或等待外部操作/触发。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述IoT设备中的看门狗数据、计时器和计数器，在所述IoT设备处于重置状态时被保持并运行，以便能够确定下一轮所述系统恢复序列的配置。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述看门狗数据是重置级别值。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述看门狗和所述系统恢复序列用于通过将超过定义的时间限制或计数限制和周期的过程中断来防止所述IoT设备的电池耗电。

13.一种监控物联网IoT设备的方法，所述方法包括：监控所述设备的功能行为；验证所述功能行为，并将所述功能行为与所述设备的定义的功能行为限制进行比较；基于所述功能行为与所述IoT设备的所述定义的或配置的功能行为限制之间的比较，由与所述IoT设备关联的看门狗发起操作；

所述方法还包括：如果所述功能行为超过所述定义的功能行为限制，则所述看门狗变为活动状态，并触发专用系统恢复序列；

其中所述系统恢复序列根据看门狗操作计数器重置不同的系统参数，重置不同的系统参数导致恢复出厂设置。