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網應用。嵌入式的MCU是這些物聯網應用程序的核心。 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新速度。為了加快開發速度和降低制造成本，物聯網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設計的無線連接，以及一個靈活的架構，以便使設計與不斷變化的標準保持最新的設計。

本文將介紹物聯網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，將討論可穿戴應用程序以及實現，并說明如何利用可穿戴設備實現與智能家庭網絡互動。

物聯網技術使工作和生活變得更加實惠、便捷、舒適和智能。正如物聯網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網應用程序（見圖1）。

圖1 ｜ 物聯網市場趨勢

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準備好了?？蛷d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。

這些物聯網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，并且保護整個系統免受惡意黑客的侵害?？煽啃詫τ谙到y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網，系統可以自學提供更加個性化的服務。 通過額外的數據，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，該系統需要降低成本，使物聯網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

為了了解開發基于IoT應用程序的復雜性，來實現一個智能的家庭門鎖控制器（見圖3）。該控制器實現門運行的指紋安全性； 兩個控制室內燈光、恒溫器和電器的房間控制節點； 溫度監測節點； 以及對所有這些節點的安全網絡（基于BLE 4．2）。要實現所有這些功能，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構實現的： 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，以確保未經授權的人無法通過房門進入住宅。 一個安全的系統可以使用指紋驗證來建立。 設計一個門鎖，存儲授權用戶的指紋，可以防止未經授權的人進門。 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，如果未經授權的人試圖進入住宅，可以觸發警報或發送通知給房屋所有者。

一個基于指紋的典型認證系統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，并提供可以調用的封裝函數，以執行更復雜的任務，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據。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下運行，同時等待模塊在手指觸摸時喚醒它。

數據存儲

指紋數據可以存儲在內部Flash中。 然而，由于每個指紋圖像的大小和指紋的數量控制器可能需要支持在一般的家庭人數，Flash的成本將會增加。由于內部 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，將指紋數據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據的有效方法。 支持XIP （eXecute－In－Place）模式的 Quad－SPI 接口允許CPU將外部存儲視為內部 Flash的一部分。這使得外部存儲的訪問類似于內部的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） ，確保指紋數據安全地存儲在外部存儲中。

網絡連接

為了將門鎖控制器集成到一個智能家庭網絡中，使用了BLE。不僅將門鎖控制器與智能家居網絡相連接，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手機配對來實現的。 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

房間控制和監控

房間控制節點允許用戶控制室內的照明、恒溫器和其他設備。它們還可以監測溫度、濕度等環境參數。 這些節點可以通過智能手機和／或本地控件來控制。 例如，圖3所示的系統包括兩個光控制節點和一個溫度監測節點。 此外，光控節點支持基于用戶識別的智能控制。例如，當使用經過身份驗證的指紋打開房門時，節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 ｜ 室內控制實現示例

建立安全網絡

在通過智能手機進行配置和初始化之后，節點使用BLE安全連接建立基于集群的網絡。每個集群的中心節點都支持一個獨特的16位標記。在節點配置過程中，每個節點都提供其集群中心節點的令牌和詳細信息。這些節點將群集中心添加到一個白名單中，并僅根據請求將標記發送給被白名單的集群中心，以建立連接。 一旦連接建立起來，節點通過通知向中心節點發送數據，中心節點將數據包轉發，然后在網絡上分發。 數據包可以傳遞給另一個節點或廣播包。 例如，當用戶解鎖門時，這個信息（即用戶1已經進入了房子）可以從門鎖節點發送到其集群的中心節點。 然后數據被轉發到房間控制節點，最后，房間控制節點打開燈。

圖6 ｜ 房間節點控制示例流

基于集群的網絡通過啟用選擇設備（集群中心節點）來處理路由和附加處理，從而消除了通過所有節點路由數據包的需要。這節省了從節點的能量和對處理能力要求，其中許多節點可能在電池上運行。 可以根據所掌握的功力選擇中心節點。 該網絡類似于低功耗無線個人區域網（6LoWPAN）上的IPv6，其中路由器（中心節點）和主機（邊緣節點）。 擁有基于集群的網絡還可以簡化通過網關（邊緣路由器）訪問互聯網的途徑，如果需要的話，可以通過互聯網遠程控制節點。

圖7 ｜ 互聯網對房間節點的控制示例

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部和外部存儲中獲取個人數據（即捕獲的指紋）的機制。 由于物聯網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網系統運行所需的許多組件。

對于許多物聯網設備來說，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。具有動態電壓和主頻縮放的雙核體系結構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。

審核編輯：符乾江