智能家居接入物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

　　談及高深莫測的物聯(lián)網(wǎng)（IoT），最接地氣的莫過于智能家居接入互聯(lián)網(wǎng)。家用電器通過家庭網(wǎng)關(guān)連接寬帶網(wǎng)，送入云端，進(jìn)行信息交換和通信，可實現(xiàn)識別、定位、跟蹤和遠(yuǎn)程管控。智能家居聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可包括嵌入式微控制器（MCU）、無線連接、軟件平臺和應(yīng)用軟件APP。本文介紹一套鮮活的家居聯(lián)網(wǎng)解決方案，跨越概念化、落地難的門檻，走進(jìn)現(xiàn)實，觸手可及。

　　一． 系統(tǒng)組成

　　典型的應(yīng)用場景中家居電器聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由微控制器、網(wǎng)關(guān)、受控物品和接入控制設(shè)備組成。孤立的物品（冰箱、空調(diào)、汽車、儀表等）接入網(wǎng)絡(luò)世界，互相之間可以交流，形成智能網(wǎng)絡(luò)。用戶通過平板電腦或手機(jī)實現(xiàn)對受控物體信息采集分析和智能化管理，也可以上線進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

　　圖一 智能家居聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)圖

　　從上圖可看出，家庭自動化系統(tǒng)將嵌入式微控制器技術(shù)、無線連接、接入網(wǎng)絡(luò)融合為一體。Apps軟件能夠使用戶發(fā)現(xiàn)家里的設(shè)備，予以設(shè)置，或者創(chuàng)建一個動作加以控制。

　　遠(yuǎn)程管控讓你不管走到哪兒，都不會與家里失聯(lián)，隨時隨地“發(fā)現(xiàn)、管理、控制”。例如，旅游在外，你仍可監(jiān)視住宅的安全環(huán)境和調(diào)節(jié)家舍的室內(nèi)溫度。

　　微控制器單芯片將無線連接功能包含在內(nèi)，按照不同的無線連接協(xié)議分類，可構(gòu)成WiFi，藍(lán)牙（Bluetooth），Zigbee等系列。

　　二． 關(guān)鍵部件

　　微控制器是家居智能化的關(guān)鍵部件。MCU和Wi-Fi是最基本的兩個元素。以Marvell MW300 Wi-Fi微控制器為例，它是內(nèi)置全功能微控制器的單芯片SoC，支持802.11n Wi-Fi。

　　圖二 Wi-Fi微控制器單芯片SOC示意圖

　　MW300 Wi-Fi微控制器單芯片解決方案的主要性能特點如下：

　　§ 內(nèi)置全功能微控制器MCU + WLAN的單芯片SoC；

　　§ 支持802.11n Wi-Fi，無線頻段2.4GHz；

　　§ 采用支持DSP和浮點運算的32位Cortex-M4 CPU，性能高達(dá)200MHz；

　　§ 3.3V輸入電源，適用于各種基于電池供電的應(yīng)用場景；

　　§ 極低的RBOM，僅需要一個晶體、一塊QSPI閃存和單軌功率輸入天線；

　　§ 支持全套I/O接口，包括SPI、I2C、UART、I2S、ADC/DAC、PWM，易于與傳感器和起動器連接，減少了額外的組件和PCB面積；

　　§ 大容量SRAM以及支持USB視頻（UVC）和USB音頻（UAC）的高速USB2.0 OTG接口，對任何裝置均支持音頻和視頻數(shù)據(jù)傳送；

　　§ 實現(xiàn)了深度低功耗狀態(tài)，同時降低了正常工作時的功耗；

　　§ 采用先進(jìn)的40納米半導(dǎo)體工藝，集成度高，體積小；

　　§ 適用溫度范圍為-40 - 85oC。

　　圖三 典型的MCU單芯片內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)圖

　　三． 軟件特點

　　無線技術(shù)具有較高門檻，僅有IP還難以集成為成品。設(shè)備制造商需要在IoT應(yīng)用上創(chuàng)新，并縮短設(shè)計周期快速推向市場。作為微控制器的提供商，有必要為應(yīng)用集成商奉獻(xiàn)設(shè)計工具和技術(shù)，支持ODM、OEM的生態(tài)系統(tǒng)。所以，軟件開發(fā)工具也是不可或缺的部分。

　　軟件平臺應(yīng)包括軟件開發(fā)工具包（SDK）和應(yīng)用編程接口（API），以幫助開發(fā)人員充分挖掘SoC解決方案中內(nèi)置微控制器的潛力，從而令系統(tǒng)集成商易于整合，推出成熟穩(wěn)定的系統(tǒng)，而且大大減少產(chǎn)品投放市場時間。

　　Marvell推出的EZ-Connect是生產(chǎn)就緒型軟件，支持業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。EZ-Connect軟件包括易用的軟件開發(fā)工具包（SDK）和應(yīng)用編程接口（API），能使集成商將精力和資源專注于為消費者及最終用戶開發(fā)創(chuàng)新性服務(wù)和應(yīng)用。

　　面向Wi-Fi微控制器的EZ-Connect軟件具備以下功能：

　　§ 通過專有工具，實現(xiàn)對Wi-Fi 無頭（Headless）設(shè)備簡單快速的配置部署；

　　§ 與IoT云服務(wù)提供商的服務(wù)實現(xiàn)內(nèi)置集成，全套中間件組件支持業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)Web協(xié)議，包括HTTP、TLS/SSL、BSD Socket、Web-Socket、JSON以及XML語法分析程序，以實現(xiàn)與云服務(wù)的有效銜接；

　　§ 支持空中固件升級，僅通過編寫幾行代碼，就可將該功能添加到任何應(yīng)用上；

　　§ 靈活的通信模式可實現(xiàn)P2P應(yīng)用、設(shè)備至設(shè)備通信、與移動客戶端及云服務(wù)無縫集成；

　　§ 從WiFi到應(yīng)用層具有多層安全機(jī)制，實現(xiàn)安全部署，防止損害用戶隱私；

　　§ 經(jīng)過場測驗證，支持包括測試在內(nèi)的產(chǎn)品制造所需程序，以使產(chǎn)品快速上市。

　　四．應(yīng)用場景

　　不同的應(yīng)用場景會選用不同的微控制器。常用的無線連接有三大類，以構(gòu)成一個完整的平臺。除了支持Wi-Fi 802.11n以外，還有支持雙模藍(lán)牙4.1和支持802.15.4/ZigBee的微控制器。

　　Wi-Fi微控制器應(yīng)用場景最為普遍，主要適用于智能家居中冰箱、制冷空調(diào)等白色家電與家庭網(wǎng)絡(luò)的長時間連接。

　　藍(lán)牙（Bluetooth）連接模式適合在近距短時間情況下使用，例如裝置之間的“互動”。藍(lán)牙微控制器是支持雙模藍(lán)牙4.1、集成了微控制器和無線連接的單芯片SoC，實現(xiàn)經(jīng)典藍(lán)牙與智能藍(lán)牙并存運行，內(nèi)置語音功能支持高分辨率ADC以及與麥克風(fēng)的直連。

　　ZigBee連接模式適用于大量的結(jié)點例如照明路燈構(gòu)建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。結(jié)點數(shù)可高達(dá)6萬個。ZigBee微控制器是支持802.15.4/ZigBee、集成了微控制器和無線連接的單芯片SoC，易于與傳感器、起動器以及其他組件連接，減少了外部組件和PCB面積。

　　五．產(chǎn)業(yè)服務(wù)

　　為了滿足越來越多致力于實現(xiàn)智能化的企業(yè)需求，服務(wù)商和開發(fā)商攜手合作相得益彰，推出一站式服務(wù)，引入開放式開發(fā)平臺將家電產(chǎn)品與智能平臺連接起來，在技術(shù)和應(yīng)用上為企業(yè)提供Wi-Fi模塊+云服務(wù)+APP的打包服務(wù)。從0到產(chǎn)品上線，構(gòu)建一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，包括產(chǎn)品方案制定、模塊集成、功能定義、聯(lián)動測試、云服務(wù)搭建、上線發(fā)布等，這一過程無需技術(shù)人員參與，自主通過在線平臺即可完成。

　　圖四 智能家居產(chǎn)業(yè)鏈

　　家電企業(yè)可以選擇多個超級APP來控制設(shè)備實現(xiàn)跨品牌、跨門類產(chǎn)品的互通。場景化體驗可讓用戶DIY不同場景，觸發(fā)各種智能產(chǎn)品的管理和運行。

　　總之，智能家居聯(lián)網(wǎng)是發(fā)展趨勢?；谌轿坏臒o線MCU硬件平臺，搭配軟件開發(fā)套件 （SDK），構(gòu)成了全面完整又靈活易用的核心資源。ODM/OEM受益于厚積薄發(fā)的微控制器技術(shù)，在提高性能、降低功耗、減少用料的同時，借力開發(fā)平臺，可輕松地推出創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，形成貼近生活的智能解決方案。