物聯(lián)網及智能家居和可穿戴應用的相關性

根據(jù)大量研究，智能家居和可穿戴設備是當今最受歡迎的物聯(lián)網應用。嵌入式MCU是這些物聯(lián)網應用的核心。然而，為了在這個快速競爭的市場中作為有效的基礎，嵌入式MCU需要能夠支持不斷提高的創(chuàng)新速度。為了加快開發(fā)速度并降低制造成本，物聯(lián)網設計人員正在尋求單芯片MCU，這些MCU將安全性、I/O和無線連接與超低功耗系統(tǒng)設計和靈活的架構集成在一起，以使設計與不斷變化的標準保持同步。

在本系列的第一部分中，我們將介紹物聯(lián)網市場趨勢以及智能家居和可穿戴應用的相關性，然后是智能家居門鎖控制器的示例實現(xiàn)。在第二部分中，將討論可穿戴設備應用以及示例實現(xiàn)。第三部分將說明如何利用可穿戴設備實現(xiàn)與智能家居網絡進行交互。

物聯(lián)網技術繼續(xù)使工作和生活更加實惠、可訪問、舒適和智能。正如物聯(lián)網分析的一項研究表明，智能家居和可穿戴設備是人們尋找的最受歡迎的物聯(lián)網應用。

智能家居的概念涉及整個家庭中設備的交互，用戶參與有限。例如，在早上 6：00，您的鬧鐘會將您喚醒，聽到您最喜愛的播放列表中的音樂聲。同時，臥室的燈光慢慢亮起，讓你在自己的時間里醒來。當樓下的入侵者警報系統(tǒng)被停用時，廚房里的咖啡機會打開，所以當你準備好的時候，它已經準備好了。一樓的窗簾和百葉窗打開，浴室里的毛巾加熱器加熱毛巾。你甚至還沒有起床。這確實是一個智能家居。

這些物聯(lián)網設備及其交互的核心是安全性、可靠性、成本效益和無線連接。安全性可確保敏感的個人信息保持私密，并保護整個系統(tǒng)免受惡意黑客的攻擊。可靠性對于無縫、無差錯的系統(tǒng)控制至關重要。連接可實現(xiàn)無線信息交換，并提供對Internet的訪問，在該訪問中可以執(zhí)行高級分析，系統(tǒng)可以自學以提供更加個性化的服務。其他數(shù)據(jù)，如背景（即誰進入了房子）可以用來增強智力。例如，可以調整房間設置，以匹配一個人進入家中的偏好。語音命令功能使設備更易于使用，例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，以使物聯(lián)網技術在大眾市場采用中負擔得起。圖 2 顯示了一個智能家居示例。

智能家居門鎖控制器實現(xiàn)

要了解開發(fā)基于物聯(lián)網的應用程序背后的復雜性，請考慮實現(xiàn)智能家居門鎖控制器（見圖3）。該控制器實現(xiàn)基于指紋的門操作安全性;兩個房間控制節(jié)點，用于控制房間內的燈光，恒溫器和電器;溫度監(jiān)測節(jié)點;以及通過藍牙低功耗（BLE）4.2為所有這些節(jié)點提供安全網絡。實現(xiàn)所有這些功能需要相當多的處理。當今的許多嵌入式MCU（包括本例中使用的PSoC 6 BLE）都提供了足夠的處理性能，同時滿足低功耗操作要求。在PSoC 6 BLE的情況下，這是通過雙核架構實現(xiàn)的：手臂皮層？M4可用于高性能任務，而手臂皮層？M0+ 處理低功耗任務。集成的安全功能維護整個控制器的安全性。

基于指紋的門鎖：需要安全性來確保未經授權的人無法通過前門進入房屋?？梢允褂弥讣y身份驗證構建高度安全的系統(tǒng)。通過設計存儲授權用戶指紋的門鎖，可以防止未經授權的門禁。對于此應用，指紋傳感器感應人的手指，嵌入式控制器對人進行身份驗證，然后停用門鎖。還可以實現(xiàn)更高級的功能，例如，如果未經授權的人試圖訪問房屋，則觸發(fā)警報或向房主發(fā)送通知。

典型的基于指紋的身份驗證系統(tǒng)包括捕獲指紋的指紋傳感器/模塊和運行各種高級算法（如用戶注冊和身份驗證）的處理器。嵌入式MCU的高性能內核可以執(zhí)行這些功能，并通過SPI等接口管理與指紋模塊的通信。指紋技術相當成熟，MCU制造商提供了指紋模塊，這些模塊提供了一個完整的軟件框架，用于通過模塊捕獲和驗證指紋。例如，指紋框架負責向指紋模塊生成低級命令，并提供封裝功能，可以調用這些功能來執(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通信遵循基于中斷的方法，其中主機發(fā)送命令并等待模塊處理該命令。模塊通過生成中斷進行響應，主機在該中斷上讀取模塊準備的數(shù)據(jù)。該模塊還可以配置為在手指觸摸傳感器時中斷處理器。這使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。

指紋數(shù)據(jù)可以存儲在內部閃存中。但是，考慮到每個指紋圖像的大小以及控制器在普通家庭中可能需要支持的指紋數(shù)量，F(xiàn)lash的消耗量將會增加。由于內部閃存是一種高級資源，尤其是在設計智能家居控制器等復雜應用程序時，因此將指紋數(shù)據(jù)存儲卸載到外部閃存通常是此用例的更好方法。

通過四通道 SPI 等接口接口的外部閃存提供了一種存儲指紋數(shù)據(jù)的有效方法。四通道 SPI 接口還支持 XIP（原位鎖定）模式，允許 CPU 將外部存儲器視為內部閃存的一部分。這使得外部存儲器訪問類似于內部閃存訪問，從而簡化了設計和操作。此外，四通道SPI接口支持硬件中的動態(tài)加密和解密（128位AES），確保指紋數(shù)據(jù)安全地存儲在外部閃存中。

為了將門鎖控制器集成到智能家居網絡中，使用了BLE。BLE不僅將門鎖控制器連接到智能家居網絡，還提供了一種安全的方式來注冊指紋。這是通過將門鎖控制器與授權電話配對來實現(xiàn)的。除了為用戶提供用于配置門鎖的界面外，它還允許用戶控制注冊過程（參見圖 4）。

［圖4|指紋安全門示例流程］

房間控制和監(jiān)控：房間控制節(jié)點允許用戶控制房間內的照明、恒溫器和其他電器。它們還可以監(jiān)控環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度。這些節(jié)點可以通過智能手機和/或節(jié)點中存在的本地控件進行控制。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，光控制節(jié)點支持基于用戶識別的智能控制。例如，可以將節(jié)點配置為在使用經過身份驗證的指紋解鎖房屋門時打開燈。同樣，當有人離開時，當門被鎖上時，燈可以關閉。

形成安全的網絡

通過智能手機進行配置和初始配置后，節(jié)點使用BLE安全連接建立基于集群的網絡。每個群集頭都支持唯一的 16 位令牌。在節(jié)點配置期間，將為每個節(jié)點提供令牌及其群集頭的詳細信息。節(jié)點將集群頭添加到白名單中，并僅根據(jù)請求將令牌發(fā)送到列入白名單的集群頭以建立連接。建立連接后，節(jié)點通過通知將數(shù)據(jù)發(fā)送到磁頭，磁頭將數(shù)據(jù)包轉發(fā)到其他磁頭，然后通過網絡分發(fā)。數(shù)據(jù)包可以尋址到另一個節(jié)點或作為廣播數(shù)據(jù)包。例如，當用戶解鎖門時，該信息（即，用戶1已進入房屋）可以從門鎖節(jié)點發(fā)送到其集群頭。然后將數(shù)據(jù)轉發(fā)到房間控制節(jié)點，然后該節(jié)點打開燈。

［圖6|機房節(jié)點控制示例流程］

基于群集的網絡通過使選定設備（群集頭）能夠處理路由和其他處理，消除了通過所有節(jié)點路由數(shù)據(jù)包的需要。這節(jié)省了從屬節(jié)點的能量和處理功率要求，其中許多節(jié)點可能使用電池運行?？梢愿鶕?jù)可支配的能量選擇簇頭。此網絡類似于具有路由器（磁頭）和主機（節(jié)點）的低功耗無線個人局域網（6LoWPAN）上的IPv6。擁有基于群集的網絡還可以簡化通過網關（邊緣路由器）訪問互聯(lián)網的過程，如果需要，還可以通過互聯(lián)網遠程控制節(jié)點。

智能家用電器可能相當復雜。以可靠且經濟高效的方式提供安全性需要片上加密功能、集成的安全無線連接以及用于保護內部和外部存儲器中個人數(shù)據(jù)（即捕獲的指紋）的機制。由于物聯(lián)網標準正在迅速變化，因此需要具有安全啟動過程的安全無線（OTA）功能來使設備保持最新狀態(tài)。此外，固件可配置外設和可編程模塊的可用性確保設備可以集成物聯(lián)網系統(tǒng)操作所需的許多組件。

電源對于許多物聯(lián)網設備至關重要，尤其是那些使用電池的設備。超低泄漏使設備始終處于打開狀態(tài)并提供即時響應。具有動態(tài)電壓和頻率擴展的雙核架構使設備能夠支持高性能功能（如指紋身份驗證）和電源關鍵型進程（如喚醒觸摸）。

審核編輯：郭婷