你知道IOT的設計及制作？

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。客廳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?？煽啃詫τ谙到y(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。

可穿戴應用程序的實現(xiàn)

智能手表不再只是為了顯示時間。智能手表通過發(fā)送短信、電話和健康監(jiān)控手段將我們的手腕變成了智能手機套件?？纱┐髟O備是用戶＂幾乎總是＂佩戴的無線設備。例如，健身監(jiān)測器是一種可穿戴設備，可以通過監(jiān)測心率、鍛煉、睡眠習慣、體溫、出汗等參數(shù)來跟蹤人的健康狀況。這些設備有多個傳感器，通常像智能手機或個人電腦一樣可以與互聯(lián)網(wǎng)連接的設備進行通信。 這些設備有三個主要特征：

始終運行： 因為健身監(jiān)視器是持續(xù)運行的，所以這些設備需要長時間的電池壽命。當設計可穿戴設備時，最大的挑戰(zhàn)之一就是他們對電力的渴求，而且他們所能容納的電池尺寸往往有限。 監(jiān)控活動： 一個健身器械監(jiān)測感官、過程、日志和報告用戶活動。這包括監(jiān)測多個傳感器和執(zhí)行＂傳感器融合＂，其中多個傳感器的數(shù)據(jù)通過類似DSP的引擎相互關聯(lián)，以分析更復雜的行為，并以用戶可以理解和使用的方式跟蹤它們。 交換數(shù)據(jù)： 這包括將收集和分析的信息傳遞給其他設備的能力，例如向智能手機發(fā)送通知和告警。

圖8： 可穿戴設備的特征

圖9： 使用嵌入式MCU的可穿戴健康監(jiān)測設備的實現(xiàn)

活動監(jiān)測

計步器和卡路里計數(shù)器計算一個人行走的步數(shù)，并計算出燃燒的卡路里數(shù)量。為了檢測步數(shù)，需要一個加速度傳感器。壓力傳感器也用來測量步行／跑步時海拔的變化。大多數(shù)傳感器都有一個數(shù)字接口，通常是I2C，SPI或UART。需要對已獲得的數(shù)據(jù)進行額外的過濾和處理，以計算步數(shù)、高度、燃燒的卡路里等等。這些傳感器也用于實現(xiàn)低功耗的系統(tǒng)功能，比如在檢測到運動時喚醒整個系統(tǒng)，以便進行實時分析。為了支持多傳感器，嵌入式MCU將需要幾個數(shù)字接口。理想情況下，這些接口可以在I2C、SPI和UART之間進行配置，以使開發(fā)人員在傳感器選擇和實現(xiàn)方面擁有最大的靈活性。此外，嵌入式單片機需要支持一個雙核體系結(jié)構(gòu)，它具有一個能夠執(zhí)行傳感器融合和復雜分析的單片機，以及一個低功耗的單片機來執(zhí)行系統(tǒng)任務，如在運動中喚醒。

環(huán)境監(jiān)測

傳感器也可能需要收集環(huán)境數(shù)據(jù)，例如紫外線照射量、環(huán)境溫度、大氣壓力、指南針方向等。

GPS

全球定位系統(tǒng)傳感器通常是帶有UART接口的數(shù)字傳感器。 GPS傳感器提供位置（經(jīng)緯度）、速度和高度信息。

音頻

在無線鏈路傳輸音頻數(shù)據(jù)之前，數(shù)字域的音頻信號處理是任何音頻系統(tǒng)的重要組成部分。 數(shù)據(jù)通常采用基于麥克風來收集數(shù)據(jù)，然后測量、過濾和／或壓縮。 具有集成DSP功能和音頻功能的嵌入式單片機，可以大大簡化高質(zhì)量、不間斷的聲音音頻子系統(tǒng)的設計。

安全性

可穿戴設備需要能夠跟上不斷變化的安全協(xié)議和措施。帶有安全引導功能的嵌入式單片機確保可穿戴設備只執(zhí)行經(jīng)過身份驗證的代碼。此外，設備可以支持在線 OTA （OTA）更新，使更新對用戶是透明的。

用戶界面

今天的用戶已經(jīng)習慣于使用按鈕、滑塊和近距離感應來觸摸顯示器。一個嵌入式的單片機也可以支持不同的輸出類型，可以支持各種顯示技術，如 Eink，OLED等。

無線連接

設備需要支持可穿戴設備操作的必要服務——無線連接，例如與低耗電藍牙的連接。

支持所有這些功能需要一個完整的固件流（見圖10）。支持可穿戴應用的制造商可以提供完整的庫，可以加速開發(fā)和降低整體設計的成本。

圖10 可穿戴設備的固件流示例

任務架構(gòu)

在任何可穿戴設計中，有三個關鍵任務：

獲取數(shù)據(jù)

處理數(shù)據(jù)

與用戶的輸入和輸出（顯示）進行通信

傳感器采集通常需要比其他任務更高的處理器操作頻率，因為這種處理包括在大樣本基礎上運行的過濾器。因此，使用像Arm Cortex－M0 ＋ 這樣的低功耗核心來進行傳感器數(shù)據(jù)的獲取效率更高。處理傳感器數(shù)據(jù)取決于所使用的算法的復雜性，開發(fā)人員必須在功率效率和處理速度之間權(quán)衡。 對于光處理，可以使用用于獲取傳感器數(shù)據(jù)的相同低功耗核心。然而，對于更多的實時操作，需要更高性能的處理器，如ARM Cortex M3／M4核心。 用戶界面，通常是一個輕量級的過程，當涉及到簡單的可穿戴顯示和輸入時，可以由任何一個核心處理，但理想的是在低功耗核心上實現(xiàn)。因此，為了在低功耗的可穿戴設備中實現(xiàn)最佳性能，需要一個雙核結(jié)構(gòu)。需要注意的是，可以利用雙核架構(gòu)來做固件框架管道化，通過加速任務完成來提高響應性能，并通過在核心之間共享時鐘、RAM、Flash等資源，減少資源和功耗。

低功耗處理器，如Cortex M0 ＋，運行一個簡單的任務調(diào)度器來處理頻繁的、低帶寬的任務，比如：

傳感器數(shù)據(jù)采集

電容式感應掃描及處理

BLE鏈路層控制器維護BLE的連接和通告

系統(tǒng)管理，包括安全任務和傳感器控制

高性能處理器，如 Cortex M4，作為運行 RTOS 的應用程序處理器，并處理處理器密集的應用程序級任務，如： 傳感器數(shù)據(jù)處理（如定向計算、高度計算等） 顯示圖形，如繪制文字、圖像、形狀等 完整的指紋處理，包括匹配和注冊算法 主機層任務，包括所有服務、配置文件和連接身份驗證

在共享內(nèi)存和快速的處理器間通信（IPC）是核心之間的橋梁，通信延遲幾乎不存在，相比之下，兩個設備在外部進行通信幾乎是不可比的。

低功耗核心任務架構(gòu)

在高級別上，低功耗核心執(zhí)行兩種類型的任務： 第1級： 在每個周期執(zhí)行的周期性任務和二級任務： 周期性時間檔任務，但在每個循環(huán)中執(zhí)行一次（任務／周期的n個周期）。 一個計時器可以用來產(chǎn)生一個中斷來表示一個周期的開始，比如每10毫秒（100hz）。 1級任務在中斷事件中執(zhí)行一次。時隙變量可以在每個中斷時遞增，并傳遞給二級任務管理器。根據(jù)插槽編號，執(zhí)行適當?shù)亩壢蝿?。?提供了可在低功耗核心中執(zhí)行的各種任務的例子。

任務類型BLE控制器Level 1電容式感應掃描和手勢檢測Level 1獲取和處理GPSLevel 1壓力 ／ 溫度數(shù)據(jù)的獲取Level 2紫外線數(shù)據(jù)的獲取Level 2電池數(shù)據(jù)采集Level 2

在完成數(shù)據(jù)采集任務或任何需要通過高性能核心運行的任務（如已經(jīng)檢測到一個手勢） ，就會形成一個消息包，并通過IPC發(fā)送到高性能核心。對高性能核心發(fā)出中斷，處理消息包，并將數(shù)據(jù)適當傳遞給在高性能核心上執(zhí)行的預期任務。

高性能核心任務架構(gòu)

高性能核心使用一個RTOS來管理諸如BLE、運動感應、顯示更新、GPS、壓力／溫度、紫外線和指紋檢測等任務。 除了BLE、運動感應和指紋檢測外，其他任務都需要等待來自低功耗核心的數(shù)據(jù)。

可以周期性地運行 BLE 任務（每次連接間隔一次）。 完成后，任務暫停，直到下一次喚醒。

運動感應任務可以是一個非周期性的任務，只要運動傳感器本身提出一個中斷，它就會運行。 像 Invensense MPU9255這樣的運動傳感器包括一個數(shù)字運動處理器（DMP），它收集芯片上的FIFO數(shù)據(jù)，并以預先配置的速率中斷高性能核心。 在中斷時，運動傳感器任務通過SPI接口讀取運動傳感器中的FIFO，并處理數(shù)據(jù)以計算方向，步驟，卡路里燃燒等等。

指紋檢測任務可以是一個非周期性的任務，當用戶在滾動、驗證或者刪除指紋時都會運行。當用戶指紋被注冊并且顯示被鎖定時，這個任務也會運行。一個注冊用戶的指紋可以用來解鎖和保護可穿戴設備。

顯示任務也可以是一個非周期性的任務，只要數(shù)據(jù)需要在屏幕上進行更新（即傳感器數(shù)據(jù)、時間、電池和來自其他任務的 BLE 通知） ，或者如果一個電容式感應的手勢事件是從低功耗核心報告的。

GPS、壓力／溫度和紫外線任務可以是偽周期任務，因為它們不會周期性地停止和喚醒。相反，在從各自的傳感器收集數(shù)據(jù)之后，任務喚醒是從低功耗核心觸發(fā)的。由于低功耗核心的數(shù)據(jù)采集速率是周期性的，所以這些任務可以在高性能核心上定期執(zhí)行。

表2顯示了高性能核心管理的任務示例。

任務優(yōu)先級堆棧BLE9500運動傳感器8500顯示6500壓力傳感器8200GPS傳感器8100指紋傳感器75000

處理器間通信架構(gòu)

兩個同時運行的核心需要一個保護共享數(shù)據(jù)和通信的機制，以便同步固件中的任務。 雙核體系結(jié)構(gòu)需要支持多個IPC機制，如 IPC鎖、消息傳遞和中斷／通知。 任務代碼可以使用IPC鎖特性來保護共享數(shù)據(jù)和 IPC 消息傳遞到核心之間的通知和數(shù)據(jù)。

IPC鎖

當訪問共享數(shù)據(jù)進行修改時，訪問核心／任務就會嘗試獲取與數(shù)據(jù)相對應的鎖。 如果鎖是空閑的，那么核心／任務將被授予訪問數(shù)據(jù)的權(quán)限。 一旦更新／處理完成，該任務就可以釋放鎖來將數(shù)據(jù)訪問到其他待完成的任務。 這保護數(shù)據(jù)不會被多個試圖同時更新或使用數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)損壞。

IPC消息

除了保護共享數(shù)據(jù)外，還需要一種通信方式來同步核心之間的任務。 這可以通過在內(nèi)核之間傳遞的＂命令和參數(shù)＂消息包來實現(xiàn)。 當一個核心希望對方執(zhí)行一個動作時，它會將動作／命令ID包含任何需要的參數(shù)到消息中，并將消息傳遞給IPC。 一旦消息包準備好，核心會在另一個核心上觸發(fā)一個IPC中斷，在這個核心中，命令被解析，然后執(zhí)行。

智能家居配備可穿戴設備

為了理解可穿戴設備與智能家居互動的一些方法，可以考察一些用例。

智能廚房

智能電器只有在家長在附近（即家長的健康監(jiān)察器或電話在適當范圍內(nèi)）時，才能使用危害兒童的器具（例如爐子、爐子、洗碗機） ，以防止發(fā)生意外。

圖11｜使用可穿戴設備的智能廚房控制

智能車庫

一個自動車庫門可以做更多的開放。 當一個人走近車道或門，設置一個預先設定好的功能序列，例如打開車道、車庫、走廊和廚房的燈光，就可以觸發(fā)＇我回家＇功能。車庫的門也可以調(diào)整家庭的安全設置，打開車庫內(nèi)部的入口門，調(diào)整房間的供暖到預設溫度，打開家庭音響系統(tǒng)開始播放音樂。

圖12｜使用可穿戴設備的智能車庫控制

基于手勢的交互控制

一種包含9軸運動感應的可穿戴設備可以決定用戶手腕的方向。這種定向數(shù)據(jù)可以進一步處理，以檢測基于運動的手勢。 這樣的手勢可以用來控制節(jié)點。 例如，當一個人靠近前門時，他或她可以把手腕平放，指向門，并順時針旋轉(zhuǎn)手腕來打開門或者逆時針鎖上門（見圖13）。

圖13｜使用可穿戴設備的智能門鎖控制

同樣，當一個人靠近房間控制節(jié)點時，圖14所示的手勢可以用來控制光強。 例如，旋轉(zhuǎn)手腕順時針方向增加光強度，而逆時針運動則會減弱光強（見圖15）。

圖14｜手腕旋轉(zhuǎn)的例子

圖15｜室內(nèi)燈光控制示例

隨著可穿戴設備中存在多個靜態(tài)BLE節(jié)點和處理資源，可以在了用的準確性范圍內(nèi)對家庭中使用可穿戴設備的用戶進行三角測量。 這個位置，連同從9軸傳感器融合算法得到的方向性數(shù)據(jù)，可以使用戶指向一個物體并與其進行交互。 圖16顯示了一個用戶在多節(jié)點智能家居環(huán)境中與燈泡互動的例子。 門鎖、燈泡和溫度節(jié)點，每個都有一個靜態(tài)位置，用來三角定位可穿戴設備在房子里的位置。數(shù)據(jù)表明用戶指向的方向。 手腕手勢可以用來發(fā)送控制命令或者與被指向的節(jié)點進行交互。

圖16｜節(jié)點控制示例

為了能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的功能，智能家居和可穿戴設備可以互動，可穿戴設備需要一個嵌入式的MCU，具有靈活和綜合的架構(gòu)。為了能夠與可穿戴設備中的許多傳感器進行接口，嵌入式單片機必須支持多個不同的標準數(shù)字和模擬接口。 MCU還可能需要多個ADC來獲取信號和集成運算放大器，以減少組件和可穿戴形式。 如果可穿戴設備支持一個電容式觸摸顯示器，它將需要傳感器和處理資源來實現(xiàn)各種觸摸元件，包括按鈕、滑塊和近距離傳感器。 圖17顯示了可穿戴設備可能需要的許多功能。

圖17｜適合智能家居的可穿戴設備架構(gòu)

此外，如前所述，雙核體系結(jié)構(gòu)將使開發(fā)人員能夠提供足夠的處理能力，同時保持整體的低功耗操作。 圖18顯示了如何在一個低功耗核心（Cortex－M0 ＋）和一個高性能核心（Cortex－M4）之間的功能分區(qū)。

圖18｜低功耗核心（M0 ＋）與高性能核心（M4）之間的功能劃分

低功耗運行及效率

低功耗對于使用電池的可穿戴設備來說是必不可少的。 嵌入式單片機需要支持多種操作模式，以使開發(fā)人員能夠優(yōu)化電能效率。 除了極低的睡眠和休眠模式外，MCU應該能夠動態(tài)地測量核心的電壓和頻率。

為了理解動態(tài)電壓和頻率縮放如何能夠節(jié)省大量電力，可以考慮指紋傳感器的例子。 當指紋傳感器沒有使用時，系統(tǒng)可以記錄到較低的頻率和電壓，比如48兆赫和0．9v（ULP）核心操作。 當指紋被啟用和運行時，指紋傳感器的指紋中斷指示指紋，系統(tǒng)會被記錄到更高的頻率和電壓，以提供實時處理，按96mhz 和1．1v的核心操作進行實時處理。 由于指紋操作不是那么頻繁，設備大部分時間都是在ULP 模式下運行，從而大大降低了整體功耗（見圖19）。

圖10｜PSoC 6 BLE的電源管理示例

另一個優(yōu)化功率效率的例子是通過管理PMIC控制器。 例如，嵌入PSoC 6的 MCU 可以關閉向其自身提供VDD的PMIC。 可以通過開關機啟用PMIC。 這就消除了對外部控制PMIC 的專用邏輯需要。 在這種功率下降模式下，單片機幾乎沒有任何電流，仍能保持時間存活。 當需要的時候，它也可以被喚醒。

安全性

可穿戴設備和智能家庭網(wǎng)絡之間的安全通信非常重要。安全性可以在嵌入式單片機內(nèi)實現(xiàn)多層次的安全性：

BLE安全性

嵌入式單片機需要支持最新的安全更新到 BLE 規(guī)范，其中包括BLE安全連接和私密的鏈路層。鏈接層隱私提供一個可解析的私人地址，使黑客難以嗅到設備。

OTA安全性

安全引導確保MCU只執(zhí)行信任代碼。 與OTA結(jié)合使無線應用程序能夠更新，并且只允許在設備中執(zhí)行可信代碼。

加密處理器

在硬件中處理加密方法大大簡化和加速復雜的安全算法，減少開發(fā)難度并最小化CPU的干預。

外部存儲的實時解密

除了加密處理器外，嵌入式處理器還可以在串行存儲器接口上提供實時的加密／解密。 這種能力極大地簡化了外部存儲中加密代碼和數(shù)據(jù)的存儲，并提供了一個強大的實現(xiàn)。