物联网市场趋势以及智能家居和可穿戴应用的相关性

作者：Jaya Kathuria 

根据大量研究，智能家居和可穿戴设备是当今最受欢迎的物联网应用。嵌入式MCU是这些物联网应用的核心。然而，为了在这个快速竞争的市场中作为有效的基础，嵌入式MCU需要能够支持不断提高的创新速度。为了加快开发速度并降低制造成本，物联网设计人员正在寻求单芯片MCU，这些MCU将安全性、I/O和无线连接与超低功耗系统设计和灵活的架构集成在一起，以使设计与不断变化的标准保持同步。

在本系列的第一部分中，我们将介绍物联网市场趋势以及智能家居和可穿戴应用的相关性，然后是智能家居门锁控制器的示例实现。在第二部分中，将讨论可穿戴设备应用以及示例实现。第三部分将说明如何利用可穿戴设备实现与智能家居网络进行交互。

物联网技术继续使工作和生活更加实惠、可访问、舒适和智能。正如物联网分析的一项研究表明，智能家居和可穿戴设备是人们寻找的最受欢迎的物联网应用。

智能家居的概念涉及整个家庭中设备的交互，用户参与有限。例如，在早上 6：00，您的闹钟会将您唤醒，听到您最喜爱的播放列表中的音乐声。同时，卧室的灯光慢慢亮起，让你在自己的时间里醒来。当楼下的入侵者警报系统被停用时，厨房里的咖啡机会打开，所以当你准备好的时候，它已经准备好了。一楼的窗帘和百叶窗打开，浴室里的毛巾加热器加热毛巾。你甚至还没有起床。这确实是一个智能家居。

这些物联网设备及其交互的核心是安全性、可靠性、成本效益和无线连接。安全性可确保敏感的个人信息保持私密，并保护整个系统免受恶意黑客的攻击。可靠性对于无缝、无差错的系统控制至关重要。连接可实现无线信息交换，并提供对Internet的访问，在该访问中可以执行高级分析，系统可以自学以提供更加个性化的服务。其他数据，如背景（即谁进入了房子）可以用来增强智力。例如，可以调整房间设置，以匹配一个人进入家中的偏好。语音命令功能使设备更易于使用，例如告诉前门为朋友和家人解锁。最后，该系统需要降低成本，以使物联网技术在大众市场采用中负担得起。

智能家居门锁控制器实现

要了解开发基于物联网的应用程序背后的复杂性，请考虑实现智能家居门锁控制器。该控制器实现基于指纹的门操作安全性;两个房间控制节点，用于控制房间内的灯光，恒温器和电器;温度监测节点;以及通过蓝牙低功耗（BLE）4.2为所有这些节点提供安全网络。实现所有这些功能需要相当多的处理。当今的许多嵌入式MCU（包括本例中使用的PSoC 6 BLE）都提供了足够的处理性能，同时满足低功耗操作要求。在PSoC 6 BLE的情况下，这是通过双核架构实现的：手臂皮层？M4可用于高性能任务，而手臂皮层？M0+ 处理低功耗任务。集成的安全功能维护整个控制器的安全性。

基于指纹的门锁：需要安全性来确保未经授权的人无法通过前门进入房屋。可以使用指纹身份验证构建高度安全的系统。通过设计存储授权用户指纹的门锁，可以防止未经授权的门禁。对于此应用，指纹传感器感应人的手指，嵌入式控制器对人进行身份验证，然后停用门锁。还可以实现更高级的功能，例如，如果未经授权的人试图访问房屋，则触发警报或向房主发送通知。

典型的基于指纹的身份验证系统包括捕获指纹的指纹传感器/模块和运行各种高级算法（如用户注册和身份验证）的处理器。嵌入式MCU的高性能内核可以执行这些功能，并通过SPI等接口管理与指纹模块的通信。指纹技术相当成熟，MCU制造商提供了指纹模块，这些模块提供了一个完整的软件框架，用于通过模块捕获和验证指纹。例如，指纹框架负责向指纹模块生成低级命令，并提供封装功能，可以调用这些功能来执行更复杂的任务，例如“获取指纹图像”或“注册指纹图像”。与模块的SPI通信遵循基于中断的方法，其中主机发送命令并等待模块处理该命令。模块通过生成中断进行响应，主机在该中断上读取模块准备的数据。该模块还可以配置为在手指触摸传感器时中断处理器。这使处理器能够在低功耗状态下运行，同时等待模块在手指触摸时唤醒它。

指纹数据可以存储在内部闪存中。但是，考虑到每个指纹图像的大小以及控制器在普通家庭中可能需要支持的指纹数量，Flash的消耗量将会增加。由于内部闪存是一种高级资源，尤其是在设计智能家居控制器等复杂应用程序时，因此将指纹数据存储卸载到外部闪存通常是此用例的更好方法。

通过四通道 SPI 等接口接口的外部闪存提供了一种存储指纹数据的有效方法。四通道 SPI 接口还支持 XIP（原位锁定）模式，允许 CPU 将外部存储器视为内部闪存的一部分。这使得外部存储器访问类似于内部闪存访问，从而简化了设计和操作。此外，四通道SPI接口支持硬件中的动态加密和解密（128位AES），确保指纹数据安全地存储在外部闪存中。

为了将门锁控制器集成到智能家居网络中，使用了BLE。BLE不仅将门锁控制器连接到智能家居网络，还提供了一种安全的方式来注册指纹。这是通过将门锁控制器与授权电话配对来实现的。除了为用户提供用于配置门锁的界面外，它还允许用户控制注册过程（参见图 4）。

［图|指纹安全门示例流程］

房间控制和监控：房间控制节点允许用户控制房间内的照明、恒温器和其他电器。它们还可以监控环境参数，如温度、湿度。这些节点可以通过智能手机和/或节点中存在的本地控件进行控制。例如，图3所示的系统包括两个光控制节点和一个温度监测节点。此外，光控制节点支持基于用户识别的智能控制。例如，可以将节点配置为在使用经过身份验证的指纹解锁房屋门时打开灯。同样，当有人离开时，当门被锁上时，灯可以关闭。

形成安全的网络

通过智能手机进行配置和初始配置后，节点使用BLE安全连接建立基于集群的网络。每个群集头都支持唯一的 16 位令牌。在节点配置期间，将为每个节点提供令牌及其群集头的详细信息。节点将集群头添加到白名单中，并仅根据请求将令牌发送到列入白名单的集群头以建立连接。建立连接后，节点通过通知将数据发送到磁头，磁头将数据包转发到其他磁头，然后通过网络分发。数据包可以寻址到另一个节点或作为广播数据包。例如，当用户解锁门时，该信息（即，用户1已进入房屋）可以从门锁节点发送到其集群头。然后将数据转发到房间控制节点，然后该节点打开灯。

［图|机房节点控制示例流程］

基于群集的网络通过使选定设备（群集头）能够处理路由和其他处理，消除了通过所有节点路由数据包的需要。这节省了从属节点的能量和处理功率要求，其中许多节点可能使用电池运行。可以根据可支配的能量选择簇头。此网络类似于具有路由器（磁头）和主机（节点）的低功耗无线个人局域网（6LoWPAN）上的IPv6。拥有基于群集的网络还可以简化通过网关（边缘路由器）访问互联网的过程，如果需要，还可以通过互联网远程控制节点。

智能家用电器可能相当复杂。以可靠且经济高效的方式提供安全性需要片上加密功能、集成的安全无线连接以及用于保护内部和外部存储器中个人数据（即捕获的指纹）的机制。由于物联网标准正在迅速变化，因此需要具有安全启动过程的安全无线（OTA）功能来使设备保持最新状态。此外，固件可配置外设和可编程模块的可用性确保设备可以集成物联网系统操作所需的许多组件。

电源对于许多物联网设备至关重要，尤其是那些使用电池的设备。超低泄漏使设备始终处于打开状态并提供即时响应。具有动态电压和频率扩展的双核架构使设备能够支持高性能功能（如指纹身份验证）和电源关键型进程（如唤醒触摸）。

在第一部分中，我们介绍了物联网市场趋势，智能家居和可穿戴应用的相关性，并展示了智能家居门锁控制器的示例实现。在第二部分中，我们将探讨可穿戴设备应用程序的实现。