根據(jù)大量研究，智能家居和可穿戴設(shè)備是當(dāng)今最受歡迎的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。嵌入式MCU是這些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的核心。然而，為了在這個(gè)快速競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)中作為有效的基礎(chǔ)，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(kāi)發(fā)速度并降低制造成本，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員正在尋求單芯片MCU，這些MCU將安全性、I/O和無(wú)線連接與超低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)和靈活的架構(gòu)集成在一起，以使設(shè)計(jì)與不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)保持同步。

在本系列的第一部分中，我們將介紹物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)趨勢(shì)以及智能家居和可穿戴應(yīng)用的相關(guān)性，然后是智能家居門(mén)鎖控制器的示例實(shí)現(xiàn)。在第二部分中，將討論可穿戴設(shè)備應(yīng)用以及示例實(shí)現(xiàn)。第三部分將說(shuō)明如何利用可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)與智能家居網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)繼續(xù)使工作和生活更加實(shí)惠、可訪問(wèn)、舒適和智能。正如物聯(lián)網(wǎng)分析的一項(xiàng)研究表明，智能家居和可穿戴設(shè)備是人們尋找的最受歡迎的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

智能家居的概念涉及整個(gè)家庭中設(shè)備的交互，用戶參與有限。例如，在早上 6：00，您的鬧鐘會(huì)將您喚醒，聽(tīng)到您最喜愛(ài)的播放列表中的音樂(lè)聲。同時(shí)，臥室的燈光慢慢亮起，讓你在自己的時(shí)間里醒來(lái)。當(dāng)樓下的入侵者警報(bào)系統(tǒng)被停用時(shí)，廚房里的咖啡機(jī)會(huì)打開(kāi)，所以當(dāng)你準(zhǔn)備好的時(shí)候，它已經(jīng)準(zhǔn)備好了。一樓的窗簾和百葉窗打開(kāi)，浴室里的毛巾加熱器加熱毛巾。你甚至還沒(méi)有起床。這確實(shí)是一個(gè)智能家居。

這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及其交互的核心是安全性、可靠性、成本效益和無(wú)線連接。安全性可確保敏感的個(gè)人信息保持私密，并保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)免受惡意黑客的攻擊。可靠性對(duì)于無(wú)縫、無(wú)差錯(cuò)的系統(tǒng)控制至關(guān)重要。連接可實(shí)現(xiàn)無(wú)線信息交換，并提供對(duì)Internet的訪問(wèn)，在該訪問(wèn)中可以執(zhí)行高級(jí)分析，系統(tǒng)可以自學(xué)以提供更加個(gè)性化的服務(wù)。其他數(shù)據(jù)，如背景（即誰(shuí)進(jìn)入了房子）可以用來(lái)增強(qiáng)智力。例如，可以調(diào)整房間設(shè)置，以匹配一個(gè)人進(jìn)入家中的偏好。語(yǔ)音命令功能使設(shè)備更易于使用，例如告訴前門(mén)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(wǎng)技術(shù)在大眾市場(chǎng)采用中負(fù)擔(dān)得起。圖 2 顯示了一個(gè)智能家居示例。

智能家居門(mén)鎖控制器實(shí)現(xiàn)

要了解開(kāi)發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用程序背后的復(fù)雜性，請(qǐng)考慮實(shí)現(xiàn)智能家居門(mén)鎖控制器（見(jiàn)圖3）。該控制器實(shí)現(xiàn)基于指紋的門(mén)操作安全性;兩個(gè)房間控制節(jié)點(diǎn)，用于控制房間內(nèi)的燈光，恒溫器和電器;溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn);以及通過(guò)藍(lán)牙低功耗（BLE）4.2為所有這些節(jié)點(diǎn)提供安全網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)所有這些功能需要相當(dāng)多的處理。當(dāng)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(shí)滿足低功耗操作要求。在PSoC 6 BLE的情況下，這是通過(guò)雙核架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的：手臂皮層？M4可用于高性能任務(wù)，而手臂皮層？M0+ 處理低功耗任務(wù)。集成的安全功能維護(hù)整個(gè)控制器的安全性。

基于指紋的門(mén)鎖：需要安全性來(lái)確保未經(jīng)授權(quán)的人無(wú)法通過(guò)前門(mén)進(jìn)入房屋。可以使用指紋身份驗(yàn)證構(gòu)建高度安全的系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)授權(quán)用戶指紋的門(mén)鎖，可以防止未經(jīng)授權(quán)的門(mén)禁。對(duì)于此應(yīng)用，指紋傳感器感應(yīng)人的手指，嵌入式控制器對(duì)人進(jìn)行身份驗(yàn)證，然后停用門(mén)鎖。還可以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的功能，例如，如果未經(jīng)授權(quán)的人試圖訪問(wèn)房屋，則觸發(fā)警報(bào)或向房主發(fā)送通知。

典型的基于指紋的身份驗(yàn)證系統(tǒng)包括捕獲指紋的指紋傳感器/模塊和運(yùn)行各種高級(jí)算法（如用戶注冊(cè)和身份驗(yàn)證）的處理器。嵌入式MCU的高性能內(nèi)核可以執(zhí)行這些功能，并通過(guò)SPI等接口管理與指紋模塊的通信。指紋技術(shù)相當(dāng)成熟，MCU制造商提供了指紋模塊，這些模塊提供了一個(gè)完整的軟件框架，用于通過(guò)模塊捕獲和驗(yàn)證指紋。例如，指紋框架負(fù)責(zé)向指紋模塊生成低級(jí)命令，并提供封裝功能，可以調(diào)用這些功能來(lái)執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，例如“獲取指紋圖像”或“注冊(cè)指紋圖像”。與模塊的SPI通信遵循基于中斷的方法，其中主機(jī)發(fā)送命令并等待模塊處理該命令。模塊通過(guò)生成中斷進(jìn)行響應(yīng)，主機(jī)在該中斷上讀取模塊準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)。該模塊還可以配置為在手指觸摸傳感器時(shí)中斷處理器。這使處理器能夠在低功耗狀態(tài)下運(yùn)行，同時(shí)等待模塊在手指觸摸時(shí)喚醒它。

指紋數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在內(nèi)部閃存中。但是，考慮到每個(gè)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(huì)增加。由于內(nèi)部閃存是一種高級(jí)資源，尤其是在設(shè)計(jì)智能家居控制器等復(fù)雜應(yīng)用程序時(shí)，因此將指紋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卸載到外部閃存通常是此用例的更好方法。

通過(guò)四通道 SPI 等接口接口的外部閃存提供了一種存儲(chǔ)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(chǔ)器視為內(nèi)部閃存的一部分。這使得外部存儲(chǔ)器訪問(wèn)類似于內(nèi)部閃存訪問(wèn)，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和操作。此外，四通道SPI接口支持硬件中的動(dòng)態(tài)加密和解密（128位AES），確保指紋數(shù)據(jù)安全地存儲(chǔ)在外部閃存中。

為了將門(mén)鎖控制器集成到智能家居網(wǎng)絡(luò)中，使用了BLE。BLE不僅將門(mén)鎖控制器連接到智能家居網(wǎng)絡(luò)，還提供了一種安全的方式來(lái)注冊(cè)指紋。這是通過(guò)將門(mén)鎖控制器與授權(quán)電話配對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。除了為用戶提供用于配置門(mén)鎖的界面外，它還允許用戶控制注冊(cè)過(guò)程（參見(jiàn)圖 4）。

［圖4|指紋安全門(mén)示例流程］

房間控制和監(jiān)控：房間控制節(jié)點(diǎn)允許用戶控制房間內(nèi)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(diǎn)可以通過(guò)智能手機(jī)和/或節(jié)點(diǎn)中存在的本地控件進(jìn)行控制。例如，圖3所示的系統(tǒng)包括兩個(gè)光控制節(jié)點(diǎn)和一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。此外，光控制節(jié)點(diǎn)支持基于用戶識(shí)別的智能控制。例如，可以將節(jié)點(diǎn)配置為在使用經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證的指紋解鎖房屋門(mén)時(shí)打開(kāi)燈。同樣，當(dāng)有人離開(kāi)時(shí)，當(dāng)門(mén)被鎖上時(shí)，燈可以關(guān)閉。

形成安全的網(wǎng)絡(luò)

通過(guò)智能手機(jī)進(jìn)行配置和初始配置后，節(jié)點(diǎn)使用BLE安全連接建立基于集群的網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)群集頭都支持唯一的 16 位令牌。在節(jié)點(diǎn)配置期間，將為每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供令牌及其群集頭的詳細(xì)信息。節(jié)點(diǎn)將集群頭添加到白名單中，并僅根據(jù)請(qǐng)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(diǎn)通過(guò)通知將數(shù)據(jù)發(fā)送到磁頭，磁頭將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到其他磁頭，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分發(fā)。數(shù)據(jù)包可以尋址到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)或作為廣播數(shù)據(jù)包。例如，當(dāng)用戶解鎖門(mén)時(shí)，該信息（即，用戶1已進(jìn)入房屋）可以從門(mén)鎖節(jié)點(diǎn)發(fā)送到其集群頭。然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到房間控制節(jié)點(diǎn)，然后該節(jié)點(diǎn)打開(kāi)燈。

［圖6|機(jī)房節(jié)點(diǎn)控制示例流程］

基于群集的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)使選定設(shè)備（群集頭）能夠處理路由和其他處理，消除了通過(guò)所有節(jié)點(diǎn)路由數(shù)據(jù)包的需要。這節(jié)省了從屬節(jié)點(diǎn)的能量和處理功率要求，其中許多節(jié)點(diǎn)可能使用電池運(yùn)行?？梢愿鶕?jù)可支配的能量選擇簇頭。此網(wǎng)絡(luò)類似于具有路由器（磁頭）和主機(jī)（節(jié)點(diǎn)）的低功耗無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)（6LoWPAN）上的IPv6。擁有基于群集的網(wǎng)絡(luò)還可以簡(jiǎn)化通過(guò)網(wǎng)關(guān)（邊緣路由器）訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程，如果需要，還可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)。

智能家用電器可能相當(dāng)復(fù)雜。以可靠且經(jīng)濟(jì)高效的方式提供安全性需要片上加密功能、集成的安全無(wú)線連接以及用于保護(hù)內(nèi)部和外部存儲(chǔ)器中個(gè)人數(shù)據(jù)（即捕獲的指紋）的機(jī)制。由于物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)正在迅速變化，因此需要具有安全啟動(dòng)過(guò)程的安全無(wú)線（OTA）功能來(lái)使設(shè)備保持最新?tīng)顟B(tài)。此外，固件可配置外設(shè)和可編程模塊的可用性確保設(shè)備可以集成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)操作所需的許多組件。

電源對(duì)于許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備至關(guān)重要，尤其是那些使用電池的設(shè)備。超低泄漏使設(shè)備始終處于打開(kāi)狀態(tài)并提供即時(shí)響應(yīng)。具有動(dòng)態(tài)電壓和頻率擴(kuò)展的雙核架構(gòu)使設(shè)備能夠支持高性能功能（如指紋身份驗(yàn)證）和電源關(guān)鍵型進(jìn)程（如喚醒觸摸）。

審核編輯：郭婷