作者：Jaya Kathuria
根據大量研究，智能家居和可穿戴設備是當今最受歡迎的物聯(lián)網(wǎng)應用。嵌入式MCU是這些物聯(lián)網(wǎng)應用的核心。然而，為了在這個(gè)快速競爭的市場(chǎng)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(kāi)發(fā)速度并降低制造成本，物聯(lián)網(wǎng)設計人員正在尋求單芯片MCU，這些MCU將安全性、I/O和無(wú)線(xiàn)連接與超低功耗系統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(wǎng)市場(chǎng)趨勢以及智能家居和可穿戴應用的相關(guān)性，然后是智能家居門(mén)鎖控制器的示例實(shí)現。在第二部分中，將討論可穿戴設備應用以及示例實(shí)現。第三部分將說(shuō)明如何利用可穿戴設備實(shí)現與智能家居網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行交互。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)繼續使工作和生活更加實(shí)惠、可訪(fǎng)問(wèn)、舒適和智能。正如物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)應用。
智能家居的概念涉及整個(gè)家庭中設備的交互，用戶(hù)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)。當樓下的入侵者警報系統被停用時(shí)，廚房里的咖啡機會(huì )打開(kāi)，所以當你準備好的時(shí)候，它已經(jīng)準備好了。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)設備及其交互的核心是安全性、可靠性、成本效益和無(wú)線(xiàn)連接。安全性可確保敏感的個(gè)人信息保持私密，并保護整個(gè)系統免受惡意黑客的攻擊�？煽啃詫τ跓o(wú)縫、無(wú)差錯的系統控制至關(guān)重要。連接可實(shí)現無(wú)線(xiàn)信息交換，并提供對Internet的訪(fǎng)問(wèn)，在該訪(fǎng)問(wèn)中可以執行高級分析，系統可以自學(xué)以提供更加個(gè)性化的服務(wù)。其他數據，如背景（即誰(shuí)進(jìn)入了房子）可以用來(lái)增強智力。例如，可以調整房間設置，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)采用中負擔得起。
智能家居門(mén)鎖控制器實(shí)現
要了解開(kāi)發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的應用程序背后的復雜性，請考慮實(shí)現智能家居門(mén)鎖控制器。該控制器實(shí)現基于指紋的門(mén)操作安全性;兩個(gè)房間控制節點(diǎn)，用于控制房間內的燈光，恒溫器和電器;溫度監測節點(diǎn);以及通過(guò)藍牙低功耗（BLE）4.2為所有這些節點(diǎn)提供安全網(wǎng)絡(luò )。實(shí)現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(shí)滿(mǎn)足低功耗操作要求。在PSoC 6 BLE的情況下，這是通過(guò)雙核架構實(shí)現的：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)授權的人無(wú)法通過(guò)前門(mén)進(jìn)入房屋�？梢允褂弥讣y身份驗證構建高度安全的系統。通過(guò)設計存儲授權用戶(hù)指紋的門(mén)鎖，可以防止未經(jīng)授權的門(mén)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(jìn)行身份驗證，然后停用門(mén)鎖。還可以實(shí)現更高級的功能，例如，如果未經(jīng)授權的人試圖訪(fǎng)問(wèn)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(hù)注冊和身份驗證）的處理器。嵌入式MCU的高性能內核可以執行這些功能，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(lái)執行更復雜的任務(wù)，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(guò)生成中斷進(jìn)行響應，主機在該中斷上讀取模塊準備的數據。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)下運行，同時(shí)等待模塊在手指觸摸時(shí)喚醒它。
指紋數據可以存儲在內部閃存中。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量，Flash的消耗量將會(huì )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(shí)，因此將指紋數據存儲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指紋數據的有效方法。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(fǎng)問(wèn)類(lèi)似于內部閃存訪(fǎng)問(wèn)，從而簡(jiǎn)化了設計和操作。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），確保指紋數據安全地存儲在外部閃存中。
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)注冊指紋。這是通過(guò)將門(mén)鎖控制器與授權電話(huà)配對來(lái)實(shí)現的。除了為用戶(hù)提供用于配置門(mén)鎖的界面外，它還允許用戶(hù)控制注冊過(guò)程（參見(jiàn)圖 4）。
［圖|指紋安全門(mén)示例流程］
房間控制和監控：房間控制節點(diǎn)允許用戶(hù)控制房間內的照明、恒溫器和其他電器。它們還可以監控環(huán)境參數，如溫度、濕度。這些節點(diǎn)可以通過(guò)智能手機和/或節點(diǎn)中存在的本地控件進(jìn)行控制。例如，圖3所示的系統包括兩個(gè)光控制節點(diǎn)和一個(gè)溫度監測節點(diǎn)。此外，光控制節點(diǎn)支持基于用戶(hù)識別的智能控制。例如，可以將節點(diǎn)配置為在使用經(jīng)過(guò)身份驗證的指紋解鎖房屋門(mén)時(shí)打開(kāi)燈。同樣，當有人離開(kāi)時(shí)，當門(mén)被鎖上時(shí)，燈可以關(guān)閉。
形成安全的網(wǎng)絡(luò )
通過(guò)智能手機進(jìn)行配置和初始配置后，節點(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。在節點(diǎn)配置期間，將為每個(gè)節點(diǎn)提供令牌及其群集頭的詳細信息。節點(diǎn)將集群頭添加到白名單中，并僅根據請求將令牌發(fā)送到列入白名單的集群頭以建立連接。建立連接后，節點(diǎn)通過(guò)通知將數據發(fā)送到磁頭，磁頭將數據包轉發(fā)到其他磁頭，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò )分發(fā)。數據包可以尋址到另一個(gè)節點(diǎn)或作為廣播數據包。例如，當用戶(hù)解鎖門(mén)時(shí)，該信息（即，用戶(hù)1已進(jìn)入房屋）可以從門(mén)鎖節點(diǎn)發(fā)送到其集群頭。然后將數據轉發(fā)到房間控制節點(diǎn)，然后該節點(diǎn)打開(kāi)燈。
［圖|機房節點(diǎn)控制示例流程］
基于群集的網(wǎng)絡(luò )通過(guò)使選定設備（群集頭）能夠處理路由和其他處理，消除了通過(guò)所有節點(diǎn)路由數據包的需要。這節省了從屬節點(diǎn)的能量和處理功率要求，其中許多節點(diǎn)可能使用電池運行�？梢愿鶕芍涞哪芰窟x擇簇頭。此網(wǎng)絡(luò )類(lèi)似于具有路由器（磁頭）和主機（節點(diǎn)）的低功耗無(wú)線(xiàn)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(fǎng)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)遠程控制節點(diǎn)。
智能家用電器可能相當復雜。以可靠且經(jīng)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(wú)線(xiàn)連接以及用于保護內部和外部存儲器中個(gè)人數據（即捕獲的指紋）的機制。由于物聯(lián)網(wǎng)標準正在迅速變化，因此需要具有安全啟動(dòng)過(guò)程的安全無(wú)線(xiàn)（OTA）功能來(lái)使設備保持最新?tīng)顟B(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(wǎng)系統操作所需的許多組件。
電源對于許多物聯(lián)網(wǎng)設備至關(guān)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(kāi)狀態(tài)并提供即時(shí)響應。具有動(dòng)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(guān)鍵型進(jìn)程（如喚醒觸摸）。
在第一部分中，我們介紹了物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)趨勢，智能家居和可穿戴應用的相關(guān)性，并展示了智能家居門(mén)鎖控制器的示例實(shí)現。在第二部分中，我們將探討可穿戴設備應用程序的實(shí)現。 |
