Java ME添助力　M2M應用程式增巧思

Java ME以往稱作為J2ME，是針對行動裝置所設計的內嵌系統，可協助機器對機器(M2M)客戶充分發揮其應用程式的功能集。在絕大多數的M2M垂直市場中，都運用J2ME應用程式，包括智慧讀表、車隊管理與工業自動化解決方案等。  

Java不僅廣泛應用在各式裝置上，並擁有眾多且熱心的開發者社群，算是全世界最廣泛使用的程式設計標準，因此對於開發成功M2M技術而言相當重要，此外，Java也是全球大學所使用的主要程式設計語言。  

M2M模組結合Java大勢所趨  

Java功能結合M2M模組廠商的特性，將成為強大的設計與工程產品，可為客戶或系統整合廠商帶來許多好處，包括根據X.509憑證，可提供高度安全與系統保護功能、機板除錯功能、穩定性高，系統不必重新開機，且具備完整的先占式時間切割和多執行緒功能。其他優勢還包含設計過程中可利用廠商提供的M2M應用程式介面(API)的功能集、無線下載Java應用程式空中通訊協定(Over The Air Protocol, OTAP)、增量Java更新、無線下載韌體、免費編譯器、Java模組內建1.7MB記憶體及加值工具包括混淆器、MES。  

此外，Java還針對NetBeans(Oracle/SUN)及Eclipse(IBM專案)提供免費的高品質整合開發環境(IDE)。上述的優點加在一起，便能使開發作業快速完成，不僅加快產品上市的時間，更大幅減少開發成本。  

透過Java整合應用程式至GSM模組  

Java ME平台包含多種技術與規格，結合後可為Java裝置及客戶應用程式提供最人性化的體驗(圖1)。在M2M之類的產業中，許多競爭業者都試圖向客戶提供獨特的銷售業務，因此這一點在此類產業中特別重要。

圖1　在GSM模組上整合客戶應用程式

小型裝置的程序制定作業稱限制連結式裝置規範(CLDC)，也是Java 2平台精簡版(JME或J2ME)架構的主要部分。JME技術是透過API集合傳送，包括配置、設定檔及選用套件，JME應用程式環境包含如CLDC的配置，以及行動資訊裝置設定檔(MIDP)之類的設定檔。此外，選用套件還可提供額外功能，如無線傳訊、多媒體擷取及播放等。軟體開發人員可透過特定API輕鬆存取特定裝置的硬體元件，毋須花費在裝置不支援的多餘API功能。  

CLDC提供最基本的程式集和虛擬機器功能，也是每個JME環境實作的必備項目。只要結合一個或更多設定檔，CLDC就能提供程式設計師穩固的Java平台，以便建立M2M及內嵌裝置所用的應用程式。  

設定檔是一組標準API，在選定配置架構下支援的裝置種類較少，特定設定檔會與CLDC的配置結合，為目標裝置類別提供完整的Java應用程式環境。MIDP是CLDC支援的一種設定檔，結合之後就能提供強大的執行時期環境。  

圖2　Java ME介面配置

選用套件則是特定技術的API集合，可擴充Java應用程式環境的功能。CLDC可支援許多選用套件，可讓產品設計師在功能需求及資源限制之間取得平衡，訊亦(Cinterion)無線模組支援CLDC HI 1.1及IMP-NG套件(圖2)，後者是MIDP的子集合。除了支援的套件外，廠商開發的重要類別如下：  

‧	ATCommand
	ATCommand類別可執行AT命令，就有如透過序列介面執行。

‧	BearerControl
	BearerControl可讓工程師取得承載狀態事件，也可以中斷承載。

‧	ADC
	類比數位轉換器(ADC)類別可從類比數位轉換器輸入取得參考值。

‧	DAC
	數位類比轉換器(DAC)類別可控制數位類比轉換器輸出的脈衝寬度調變(PWM)。

‧	InPort/OutPort
	此兩個類別可對通用輸入輸出(GPIO)驅動程式輸入與輸出腳的埠，進行存取及配置。

‧	I2cBusConnection
	此介面定義I2C匯流排的邏輯連線。

‧	SpiConnection
	此介面定義SPI裝置的邏輯連線。

‧	看門狗
	看門狗(Watchdog)類別可讓工程師從應用程式層次監控中央處理器(CPU)硬體。

Java ME資源/介面完備　易於開發應用程式  

圖3　記憶體資源

廠商的內嵌Java模組可為系統提供多種資源，包括52MHz時脈頻率的安謀國際(ARM)9處理器、擴充記憶體及隨機存取記憶體(RAM)，還有M2M特定Java類別，如ATCommand。Java應用程式記憶體空間則包括1,700KB快閃記憶體檔案系統與400KB的RAM(圖3)。其他周邊則包括10×GPIO接腳、1×I²C/SPI介面、1×DAC、2×ADC與2×RS-232 API序列介面。  

之前所有的介面都是透過AT指令所控制，不過，廠商為上列各周邊設備新增API(圖4)，也就是說，各介面可透過一組Java方法控制，讓Java程式設計師有更大的彈性，開發出速度更快且更有效率的應用程式。

圖4　API及介面

Java增加M2M解決方案安全性  

圖5　Java安全哲學原則

廠商的Java內嵌模組藉由Java市場上的安全哲學(圖5)，為M2M應用程式提供安全可靠的計算能力。行動Java應用程式會在封閉的安全環境中執行，也就是「Java沙盒」(Java Sandbox)，Java沙盒技術會排除代表潛在安全問題的Java屬性，排除的屬性包括沒有Java原生介面(JNI)、沒有使用者定義的類別載入器、不支援映射(沒有RM或物件序列化)與沒有執行緒群組或常駐執行緒。  

此外，Java虛擬機器(JVM)無法存取核心全球行動通訊系統(GSM)功能，因此應用程式不可能損壞模組。其他Java安全哲學元件包含Java應用程式(.jar file)儲存於模組的快閃記憶體檔案系統(FFS)，並無法複製，因此能確保Java應用程式絕對安全，而此功能預設為啟動。在模組中插入X.509憑證後，就可取得以下安全功能。  

‧	安全MIDlet資料鏈結
	亦即HTTPS、安全連線，透過安全通訊協定連接到安全伺服器並交換資料，如TLS通訊協定1.0版、安全通訊端層(SSL)V3、無線應用通訊協定(WAP)傳輸層安全性(TLS)、無線安全傳輸層(WTLS)。

‧	執行已簽署/未簽署MIDlet
	模組只執行已簽署MIDlet，不會處理意圖執行未簽署MIDlet的動作。

‧	開/關模組交換套組
	可允許或封鎖存取FFS模組，憑證會儲存在二進位檔案中，須透過序列介面複製到邊界電場切換(FFS)模組上，而建立憑證及將憑證載入模組的工具，均可免費取得。

Java安全運作模式如下所示。  

‧	模式1
	設定連線時不檢驗伺服器憑證，亦即伺服器憑證的確實性沒有經過驗證(圖6)。 圖6　模式1客戶主要憑證不存在

‧	模式2
	模組內含客戶主要憑證，指令為送出HTTPS連線時開啟憑證驗證。設定連線時會檢驗伺服器憑證，其中兩個配置為有效配置，伺服器憑證與模組中的憑證相同(兩個憑證都是自簽署的主要憑證)，或伺服器憑證會與模組憑證形成鏈結，因此伺服器憑證的確實性會透過模組的憑證進行驗證(圖7、8)。 圖7　模式2伺服器憑證與模組內憑證相同 圖8　模式2伺服器憑證與模組內自簽署主要憑證形成鏈結

遠端運算為M2M關鍵功能  

廠商推出的內嵌Java模組提供遠端運算功能，對於有效的M2M應用程式很重要，功能包括：  

‧	無線下載OTAP
	圖9　OTAP區塊圖示 此於Java世界中很常見。OTAP代表以無線方式安裝、更新、刪除Java應用程式(圖9)，由於不需要使用者與裝置實際互動，適合用於位在同一區域但不容易存取的M2M裝置。OTAP主要功能包括可用於整體封包無線電服務(GPRS)或電路交換數據服務(CSD)、可透過AT指令或SMS觸發、此程序由密碼保護、可透過序列介面監視進度、透過OTAP，可將結果碼傳送到伺服器、刪除作業代表可重新啟動模組，以及增量OTAP可更新少量程式碼片段「liblet」。

‧	無線下載韌體
	裝置可透過電路交換或封包交換連線，連接到提供韌體的外部伺服器，即可無線下載模組韌體(FOTA)。無線下載韌體更新需三個步驟，步驟一為模組連接到外部伺服器(FTP/HTTP)，先將新的韌體下載到暫存快取，再存到本端記憶體。步驟二是新韌體儲存到本端記憶體後，模組會重新設定，開始將韌體傳送到內部快閃記憶體。步驟三則為安裝完新韌體後，模組會自動重新開機，便可開始運作。

FOTA可透過Java(光碟片中包含FOTA實務範例的示範程式)或外部微處理器(MPU)控制。在FOTA及OTAP程序中，韌體檔案均為*.USF格式，其中包含加密格式的新韌體，不僅經過安全總和檢查，且需一個區塊接著一個區塊寫入快閃記憶體，依照模組類型的不同，*.USF檔案的大小約在3M～4MB。此外，安裝韌體時若發生錯誤，如電壓下降、SPI連線中斷等，更新程序會在模組重新開機後重新執行。  

Java增進應用程式執行順暢度  

廠商的Java模組具有內建功能，可讓M2M軟體應用程式執行更為順暢，如在除錯環境中，Java ME模組透過通用序列匯流排(USB)或RS232線路連接到個人電腦(PC)，便可對應用程式進行編輯、建置、除錯，或在個人電腦上的整合開發環境(IDE)中執行。在IDE控制下執行MIDlet或對其進行除錯作業時，應用程式不會在個人電腦上執行，而會直接在模組上執行(機上執行)。  

若為除錯模式(圖10)，MIDlet的執行仍能透過IDE控制(機上除錯)；若為一般模式，則MIDlet會複製到模組並正常開始執行。此外，支援的IDE包括Eclipse、NetBeans、Borland JBuilder X。

圖10　Java 應用程式在除錯環境下的資料流程

(本文作者任職於訊亦)