IoT應用設計方案的分析

大量的研究表明，智能家居和可穿戴設備是目前最流行的物聯(lián)網(wǎng)應用。嵌入式的MCU是這些物聯(lián)網(wǎng)應用程序的核心。 然而，為了在這個快速而有競爭力的市場上成為一個有效的基礎，嵌入式的MCU需要能夠支持不斷增長的創(chuàng)新速度。為了加快開發(fā)速度和降低制造成本，物聯(lián)網(wǎng)設計師們正在尋找單片機的MCU，這種單片機集成了安全性、 I／O功能以及與超低功耗系統(tǒng)設計的無線連接，以及一個靈活的架構(gòu)，以便使設計與不斷變化的標準保持最新的設計。

本文將介紹物聯(lián)網(wǎng)市場的趨勢以及智能家居和可穿戴應用的相關性，然后舉例說明智能門鎖控制器的實現(xiàn)，將討論可穿戴應用程序以及實現(xiàn)，并說明如何利用可穿戴設備實現(xiàn)與智能家庭網(wǎng)絡互動。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使工作和生活變得更加實惠、便捷、舒適和智能。正如物聯(lián)網(wǎng)分析的一項研究顯示，智能家居和可穿戴設備是人們尋找的最流行的物聯(lián)網(wǎng)應用程序（見圖1）。

圖1 ｜ 物聯(lián)網(wǎng)市場趨勢

智能家居的概念包括設備在家中的互動和用戶有限參與。例如，早上6點，鬧鐘會以最喜歡的播放列表中的音樂聲吵醒你。 與此同時，臥室的燈光慢慢亮起，讓你在自己的時間里醒來。當樓下的入侵警報系統(tǒng)被關閉時，廚房里的咖啡機就會打開，所以當你準備享用的時候它已經(jīng)準備好了?？蛷d的窗簾和百葉窗開著，浴室里的毛巾加熱器溫暖了毛巾，你甚至還沒起床呢。 這真是一個智能的家。

這些物聯(lián)網(wǎng)設備的核心是安全性、可靠性、成本效益和無線連接。 安全保證敏感的個人信息保持私密，并且保護整個系統(tǒng)免受惡意黑客的侵害。可靠性對于系統(tǒng)的無縫、無誤控制至關重要。 連通性使無線信息交換成為能夠進行高級分析的互聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)可以自學提供更加個性化的服務。 通過額外的數(shù)據(jù)，如上下文（即誰進入了房子）可以用來提高智力。例如，房間設置可以調(diào)整，以配合一個人進入家庭時的喜好。語音命令功能使得電器更容易使用，比如告訴前門為朋友和家人解鎖。最后，該系統(tǒng)需要降低成本，使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠負擔得起大眾市場的采用。 圖2展示了一個智能家居的例子。

圖2 ｜ 智能家居示例

智能門鎖控制器實現(xiàn)

為了了解開發(fā)基于IoT應用程序的復雜性，來實現(xiàn)一個智能的家庭門鎖控制器（見圖3）。該控制器實現(xiàn)門運行的指紋安全性； 兩個控制室內(nèi)燈光、恒溫器和電器的房間控制節(jié)點； 溫度監(jiān)測節(jié)點； 以及對所有這些節(jié)點的安全網(wǎng)絡（基于BLE 4．2）。要實現(xiàn)所有這些功能，需要進行大量的處理。今天的許多嵌入式單片機，包括本示例中使用的PSoC 6 BLE，在滿足低功耗操作要求的同時提供了足夠的處理性能。就 PSoC 6 BLE 而言，這是通過雙核體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的： Arm Cortex－M4可用于高性能任務，而 Arm Cortex－M0 ＋ 處理低功耗任務。綜合的安全能力維護總控制器的安全性。

圖3 ｜ 基于嵌入式單片機的智能家居示例

基于指紋的門鎖

安全是必要的，以確保未經(jīng)授權(quán)的人無法通過房門進入住宅。 一個安全的系統(tǒng)可以使用指紋驗證來建立。 設計一個門鎖，存儲授權(quán)用戶的指紋，可以防止未經(jīng)授權(quán)的人進門。 對于這個應用程序，指紋傳感器感知人的手指，嵌入式控制器對該人進行認證，然后門鎖被關閉。 更先進的功能也可以實現(xiàn)，如果未經(jīng)授權(quán)的人試圖進入住宅，可以觸發(fā)警報或發(fā)送通知給房屋所有者。

一個基于指紋的典型認證系統(tǒng)包括一個指紋傳感器／模塊，該指紋傳感器和處理器運行各種高級算法，如用戶注冊和身份驗證。嵌入式MCU的高性能核心可以執(zhí)行這些功能，并通過 SPI等接口管理與指紋模塊的通信。指紋技術(shù)相當成熟，指紋模塊可以從MCU制造商那里獲得，該模塊提供了一個通過模塊捕捉和驗證指紋的整個軟件框架。 例如，指紋框架負責向指紋模塊生成低級指令，并提供可以調(diào)用的封裝函數(shù)，以執(zhí)行更復雜的任務，例如＂獲取指紋圖像＂或＂注冊指紋圖像＂ 與模塊的SPI通信遵循一種基于中斷的方法，即主機發(fā)送一個命令并等待模塊處理命令。該模塊的響應方式是生成一個中斷，在這個中斷中，主機將讀取由模塊準備的數(shù)據(jù)。該模塊還可以配置為中斷處理器的手指觸摸傳感器。 這使得處理器能夠在低功耗狀態(tài)下運行，同時等待模塊在手指觸摸時喚醒它。

數(shù)據(jù)存儲

指紋數(shù)據(jù)可以存儲在內(nèi)部Flash中。 然而，由于每個指紋圖像的大小和指紋的數(shù)量控制器可能需要支持在一般的家庭人數(shù)，F(xiàn)lash的成本將會增加。由于內(nèi)部 Flash 是一種高級資源，特別是當設計復雜的應用程序如智能家庭控制器時，將指紋數(shù)據(jù)存儲器卸載到外部存儲，這通常是這個用例更好的方法。

外部存儲通過一個類似quad－SPI的接口進行交互，提供了一種存儲指紋數(shù)據(jù)的有效方法。 支持XIP （eXecute－In－Place）模式的 Quad－SPI 接口允許CPU將外部存儲視為內(nèi)部 Flash的一部分。這使得外部存儲的訪問類似于內(nèi)部的Flash訪問，從而簡化設計和操作。 此外，quad－SPI接口支持硬件中的即時軟件加密和解密（128位 AES） ，確保指紋數(shù)據(jù)安全地存儲在外部存儲中。

網(wǎng)絡連接

為了將門鎖控制器集成到一個智能家庭網(wǎng)絡中，使用了BLE。不僅將門鎖控制器與智能家居網(wǎng)絡相連接，而且提供了一種安全的指紋編碼方式。 這是通過將門鎖控制器與授權(quán)手機配對來實現(xiàn)的。 除了為用戶提供配置門鎖的接口外，還允許用戶控制注冊過程（見圖4）。

圖4 ｜ 智能門鎖的安全方案工作流

房間控制和監(jiān)控

房間控制節(jié)點允許用戶控制室內(nèi)的照明、恒溫器和其他設備。它們還可以監(jiān)測溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)。 這些節(jié)點可以通過智能手機和／或本地控件來控制。 例如，圖3所示的系統(tǒng)包括兩個光控制節(jié)點和一個溫度監(jiān)測節(jié)點。 此外，光控節(jié)點支持基于用戶識別的智能控制。例如，當使用經(jīng)過身份驗證的指紋打開房門時，節(jié)點可以配置為打開燈。 同樣，當有人離開時，門是鎖著的時候，燈可以關掉（見圖5）。

圖5 ｜ 室內(nèi)控制實現(xiàn)示例

建立安全網(wǎng)絡

在通過智能手機進行配置和初始化之后，節(jié)點使用BLE安全連接建立基于集群的網(wǎng)絡。每個集群的中心節(jié)點都支持一個獨特的16位標記。在節(jié)點配置過程中，每個節(jié)點都提供其集群中心節(jié)點的令牌和詳細信息。這些節(jié)點將群集中心添加到一個白名單中，并僅根據(jù)請求將標記發(fā)送給被白名單的集群中心，以建立連接。 一旦連接建立起來，節(jié)點通過通知向中心節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，中心節(jié)點將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，然后在網(wǎng)絡上分發(fā)。 數(shù)據(jù)包可以傳遞給另一個節(jié)點或廣播包。 例如，當用戶解鎖門時，這個信息（即用戶1已經(jīng)進入了房子）可以從門鎖節(jié)點發(fā)送到其集群的中心節(jié)點。 然后數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)發(fā)到房間控制節(jié)點，最后，房間控制節(jié)點打開燈。

圖6 ｜ 房間節(jié)點控制示例流

基于集群的網(wǎng)絡通過啟用選擇設備（集群中心節(jié)點）來處理路由和附加處理，從而消除了通過所有節(jié)點路由數(shù)據(jù)包的需要。這節(jié)省了從節(jié)點的能量和對處理能力要求，其中許多節(jié)點可能在電池上運行。 可以根據(jù)所掌握的功力選擇中心節(jié)點。 該網(wǎng)絡類似于低功耗無線個人區(qū)域網(wǎng)（6LoWPAN）上的IPv6，其中路由器（中心節(jié)點）和主機（邊緣節(jié)點）。 擁有基于集群的網(wǎng)絡還可以簡化通過網(wǎng)關（邊緣路由器）訪問互聯(lián)網(wǎng)的途徑，如果需要的話，可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠程控制節(jié)點。

圖7 ｜ 互聯(lián)網(wǎng)對房間節(jié)點的控制示例

智能家用電器可能相當復雜。以可靠和符合成本效益的方式提供安全所需要的芯片加密能力、集成的安全無線連接以及在內(nèi)部和外部存儲中獲取個人數(shù)據(jù)（即捕獲的指紋）的機制。 由于物聯(lián)網(wǎng)的標準正在迅速變化，因此需要安全啟動過程來保證電器的更新特性。 此外，固件可配置外設和可編程模塊的可用性確保了設備可以集成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運行所需的許多組件。

對于許多物聯(lián)網(wǎng)設備來說，電是至關重要的，尤其是那些使用電池的設備。低功耗設計允許設備始終保持并提供即時響應。具有動態(tài)電壓和主頻縮放的雙核體系結(jié)構(gòu)允許電器支持高性能的功能，如指紋認證和功率敏感的關鍵過程，如尾跡觸摸。

審核編輯：符乾江