大量的研究表明，智能家居和可穿戴設(shè)備是目前最流行的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。嵌入式的MCU是這些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的核心。 然而，為了在這個(gè)快速而有競(jìng)爭(zhēng)力的市場(chǎng)上成為一個(gè)有效的基礎(chǔ)，嵌入式的MCU需要能夠支持不斷增長(zhǎng)的創(chuàng)新速度。為了加快開(kāi)發(fā)速度和降低制造成本，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)師們正在尋找單片機(jī)的MCU，這種單片機(jī)集成了安全性、 I／O功能以及與超低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無(wú)線連接，以及一個(gè)靈活的架構(gòu)，以便使設(shè)計(jì)與不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)保持最新的設(shè)計(jì)。

本文將介紹物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的趨勢(shì)以及智能家居和可穿戴應(yīng)用的相關(guān)性，然后舉例說(shuō)明智能門(mén)鎖控制器的實(shí)現(xiàn)，將討論可穿戴應(yīng)用程序以及實(shí)現(xiàn)，并說(shuō)明如何利用可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)與智能家庭網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使工作和生活變得更加實(shí)惠、便捷、舒適和智能。正如物聯(lián)網(wǎng)分析的一項(xiàng)研究顯示，智能家居和可穿戴設(shè)備是人們尋找的最流行的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序（見(jiàn)圖1）。

圖1 ｜ 物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)趨勢(shì)

智能家居的概念包括設(shè)備在家中的互動(dòng)和用戶有限參與。例如，早上6點(diǎn)，鬧鐘會(huì)以最喜歡的播放列表中的音樂(lè)聲吵醒你。 與此同時(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)樓下的入侵警報(bào)系統(tǒng)被關(guān)閉時(shí)，廚房里的咖啡機(jī)就會(huì)打開(kāi)，所以當(dāng)你準(zhǔn)備享用的時(shí)候它已經(jīng)準(zhǔn)備好了。客廳的窗簾和百葉窗開(kāi)著，浴室里的毛巾加熱器溫暖了毛巾，你甚至還沒(méi)起床呢。 這真是一個(gè)智能的家。

這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的核心是安全性、可靠性、成本效益和無(wú)線連接。 安全保證敏感的個(gè)人信息保持私密，并且保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)免受惡意黑客的侵害。可靠性對(duì)于系統(tǒng)的無(wú)縫、無(wú)誤控制至關(guān)重要。 連通性使無(wú)線信息交換成為能夠進(jìn)行高級(jí)分析的互聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)可以自學(xué)提供更加個(gè)性化的服務(wù)。 通過(guò)額外的數(shù)據(jù)，如上下文（即誰(shuí)進(jìn)入了房子）可以用來(lái)提高智力。例如，房間設(shè)置可以調(diào)整，以配合一個(gè)人進(jìn)入家庭時(shí)的喜好。語(yǔ)音命令功能使得電器更容易使用，比如告訴前門(mén)為朋友和家人解鎖。最后，該系統(tǒng)需要降低成本，使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠負(fù)擔(dān)得起大眾市場(chǎng)的采用。 圖2展示了一個(gè)智能家居的例子。

圖2 ｜ 智能家居示例

智能門(mén)鎖控制器實(shí)現(xiàn)

為了了解開(kāi)發(fā)基于IoT應(yīng)用程序的復(fù)雜性，來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能的家庭門(mén)鎖控制器（見(jiàn)圖3）。該控制器實(shí)現(xiàn)門(mén)運(yùn)行的指紋安全性； 兩個(gè)控制室內(nèi)燈光、恒溫器和電器的房間控制節(jié)點(diǎn)； 溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)； 以及對(duì)所有這些節(jié)點(diǎn)的安全網(wǎng)絡(luò)（基于BLE 4．2）。要實(shí)現(xiàn)所有這些功能，需要進(jìn)行大量的處理。今天的許多嵌入式單片機(jī)，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(shí)提供了足夠的處理性能。就 PSoC 6 BLE 而言，這是通過(guò)雙核體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的： Arm Cortex－M4可用于高性能任務(wù)，而 Arm Cortex－M0 ＋ 處理低功耗任務(wù)。綜合的安全能力維護(hù)總控制器的安全性。

圖3 ｜ 基于嵌入式單片機(jī)的智能家居示例

基于指紋的門(mén)鎖

安全是必要的，以確保未經(jīng)授權(quán)的人無(wú)法通過(guò)房門(mén)進(jìn)入住宅。 一個(gè)安全的系統(tǒng)可以使用指紋驗(yàn)證來(lái)建立。 設(shè)計(jì)一個(gè)門(mén)鎖，存儲(chǔ)授權(quán)用戶的指紋，可以防止未經(jīng)授權(quán)的人進(jìn)門(mén)。 對(duì)于這個(gè)應(yīng)用程序，指紋傳感器感知人的手指，嵌入式控制器對(duì)該人進(jìn)行認(rèn)證，然后門(mén)鎖被關(guān)閉。 更先進(jìn)的功能也可以實(shí)現(xiàn)，如果未經(jīng)授權(quán)的人試圖進(jìn)入住宅，可以觸發(fā)警報(bào)或發(fā)送通知給房屋所有者。

一個(gè)基于指紋的典型認(rèn)證系統(tǒng)包括一個(gè)指紋傳感器／模塊，該指紋傳感器和處理器運(yùn)行各種高級(jí)算法，如用戶注冊(cè)和身份驗(yàn)證。嵌入式MCU的高性能核心可以執(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，指紋模塊可以從MCU制造商那里獲得，該模塊提供了一個(gè)通過(guò)模塊捕捉和驗(yàn)證指紋的整個(gè)軟件框架。 例如，指紋框架負(fù)責(zé)向指紋模塊生成低級(jí)指令，并提供可以調(diào)用的封裝函數(shù)，以執(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通信遵循一種基于中斷的方法，即主機(jī)發(fā)送一個(gè)命令并等待模塊處理命令。該模塊的響應(yīng)方式是生成一個(gè)中斷，在這個(gè)中斷中，主機(jī)將讀取由模塊準(zhǔn)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(yùn)行，同時(shí)等待模塊在手指觸摸時(shí)喚醒它。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

指紋數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在內(nèi)部Flash中。 然而，由于每個(gè)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(huì)增加。由于內(nèi)部 Flash 是一種高級(jí)資源，特別是當(dāng)設(shè)計(jì)復(fù)雜的應(yīng)用程序如智能家庭控制器時(shí)，將指紋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器卸載到外部存儲(chǔ)，這通常是這個(gè)用例更好的方法。

外部存儲(chǔ)通過(guò)一個(gè)類(lèi)似quad－SPI的接口進(jìn)行交互，提供了一種存儲(chǔ)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(chǔ)視為內(nèi)部 Flash的一部分。這使得外部存儲(chǔ)的訪問(wèn)類(lèi)似于內(nèi)部的Flash訪問(wèn)，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和操作。 此外，quad－SPI接口支持硬件中的即時(shí)軟件加密和解密（128位 AES） ，確保指紋數(shù)據(jù)安全地存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)中。

網(wǎng)絡(luò)連接

為了將門(mén)鎖控制器集成到一個(gè)智能家庭網(wǎng)絡(luò)中，使用了BLE。不僅將門(mén)鎖控制器與智能家居網(wǎng)絡(luò)相連接，而且提供了一種安全的指紋編碼方式。 這是通過(guò)將門(mén)鎖控制器與授權(quán)手機(jī)配對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 除了為用戶提供配置門(mén)鎖的接口外，還允許用戶控制注冊(cè)過(guò)程（見(jiàn)圖4）。

圖4 ｜ 智能門(mén)鎖的安全方案工作流

房間控制和監(jiān)控

房間控制節(jié)點(diǎn)允許用戶控制室內(nèi)的照明、恒溫器和其他設(shè)備。它們還可以監(jiān)測(cè)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)。 這些節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)智能手機(jī)和／或本地控件來(lái)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，光控節(jié)點(diǎn)支持基于用戶識(shí)別的智能控制。例如，當(dāng)使用經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證的指紋打開(kāi)房門(mén)時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以配置為打開(kāi)燈。 同樣，當(dāng)有人離開(kāi)時(shí)，門(mén)是鎖著的時(shí)候，燈可以關(guān)掉（見(jiàn)圖5）。

圖5 ｜ 室內(nèi)控制實(shí)現(xiàn)示例

建立安全網(wǎng)絡(luò)

在通過(guò)智能手機(jī)進(jìn)行配置和初始化之后，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)集群的中心節(jié)點(diǎn)都支持一個(gè)獨(dú)特的16位標(biāo)記。在節(jié)點(diǎn)配置過(guò)程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都提供其集群中心節(jié)點(diǎn)的令牌和詳細(xì)信息。這些節(jié)點(diǎn)將群集中心添加到一個(gè)白名單中，并僅根據(jù)請(qǐng)求將標(biāo)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(lái)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)通知向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，中心節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，然后在網(wǎng)絡(luò)上分發(fā)。 數(shù)據(jù)包可以傳遞給另一個(gè)節(jié)點(diǎn)或廣播包。 例如，當(dāng)用戶解鎖門(mén)時(shí)，這個(gè)信息（即用戶1已經(jīng)進(jìn)入了房子）可以從門(mén)鎖節(jié)點(diǎn)發(fā)送到其集群的中心節(jié)點(diǎn)。 然后數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)發(fā)到房間控制節(jié)點(diǎn)，最后，房間控制節(jié)點(diǎn)打開(kāi)燈。

圖6 ｜ 房間節(jié)點(diǎn)控制示例流

基于集群的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)啟用選擇設(shè)備（集群中心節(jié)點(diǎn)）來(lái)處理路由和附加處理，從而消除了通過(guò)所有節(jié)點(diǎn)路由數(shù)據(jù)包的需要。這節(jié)省了從節(jié)點(diǎn)的能量和對(duì)處理能力要求，其中許多節(jié)點(diǎn)可能在電池上運(yùn)行。 可以根據(jù)所掌握的功力選擇中心節(jié)點(diǎn)。 該網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似于低功耗無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（6LoWPAN）上的IPv6，其中路由器（中心節(jié)點(diǎn)）和主機(jī)（邊緣節(jié)點(diǎn)）。 擁有基于集群的網(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)的途徑，如果需要的話，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)。

圖7 ｜ 互聯(lián)網(wǎng)對(duì)房間節(jié)點(diǎn)的控制示例

智能家用電器可能相當(dāng)復(fù)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(wú)線連接以及在內(nèi)部和外部存儲(chǔ)中獲取個(gè)人數(shù)據(jù)（即捕獲的指紋）的機(jī)制。 由于物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)正在迅速變化，因此需要安全啟動(dòng)過(guò)程來(lái)保證電器的更新特性。 此外，固件可配置外設(shè)和可編程模塊的可用性確保了設(shè)備可以集成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行所需的許多組件。

對(duì)于許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，電是至關(guān)重要的，尤其是那些使用電池的設(shè)備。低功耗設(shè)計(jì)允許設(shè)備始終保持并提供即時(shí)響應(yīng)。具有動(dòng)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(rèn)證和功率敏感的關(guān)鍵過(guò)程，如尾跡觸摸。

審核編輯：符乾江