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IoT应用设计方案浅析

导读: 本文将介绍物联网市场的趋势以及智能家居和可穿戴应用的相关性,然后举例说明智能门锁控制器的实现,将讨论可穿戴应用程序以及实现,并说明如何利用可穿戴设备实现与智能家庭网络互动。

大量的研究表明,智能家居和可穿戴设备是目前最流行的物联网应用。嵌入式的MCU是这些物联网应用程序的核心。 然而,为了在这个快速而有竞争力的市场上成为一个有效的基础,嵌入式的MCU需要能够支持不断增长的创新速度。为了加快开发速度和降低制造成本,物联网设计师们正在寻找单片机的MCU,这种单片机集成了安全性、 I/O功能以及与超低功耗系统设计的无线连接,以及一个灵活的架构,以便使设计与不断变化的标准保持最新的设计。

本文将介绍物联网市场的趋势以及智能家居和可穿戴应用的相关性,然后举例说明智能门锁控制器的实现,将讨论可穿戴应用程序以及实现,并说明如何利用可穿戴设备实现与智能家庭网络互动。

物联网技术使工作和生活变得更加实惠、便捷、舒适和智能。正如物联网分析的一项研究显示,智能家居和可穿戴设备是人们寻找的最流行的物联网应用程序(见图1)。

图1 | 物联网市场趋势

智能家居的概念包括设备在家中的互动和用户有限参与。例如,早上6点,闹钟会以最喜欢的播放列表中的音乐声吵醒你。 与此同时,卧室的灯光慢慢亮起,让你在自己的时间里醒来。当楼下的入侵警报系统被关闭时,厨房里的咖啡机就会打开,所以当你准备享用的时候它已经准备好了。客厅的窗帘和百叶窗开着,浴室里的毛巾加热器温暖了毛巾,你甚至还没起床呢。 这真是一个智能的家。

这些物联网设备的核心是安全性、可靠性、成本效益和无线连接。 安全保证敏感的个人信息保持私密,并且保护整个系统免受恶意黑客的侵害。可靠性对于系统的无缝、无误控制至关重要。 连通性使无线信息交换成为能够进行高级分析的互联网,系统可以自学提供更加个性化的服务。 通过额外的数据,如上下文(即谁进入了房子)可以用来提高智力。例如,房间设置可以调整,以配合一个人进入家庭时的喜好。语音命令功能使得电器更容易使用,比如告诉前门为朋友和家人解锁。最后,该系统需要降低成本,使物联网技术能够负担得起大众市场的采用。 图2展示了一个智能家居的例子。

图2 | 智能家居示例

智能门锁控制器实现

为了了解开发基于IoT应用程序的复杂性,来实现一个智能的家庭门锁控制器(见图3)。该控制器实现门运行的指纹安全性; 两个控制室内灯光、恒温器和电器的房间控制节点; 温度监测节点; 以及对所有这些节点的安全网络(基于BLE 4.2)。要实现所有这些功能,需要进行大量的处理。今天的许多嵌入式单片机,包括本示例中使用的PSoC 6 BLE,在满足低功耗操作要求的同时提供了足够的处理性能。就 PSoC 6 BLE 而言,这是通过双核体系结构实现的: Arm Cortex-M4可用于高性能任务,而 Arm Cortex-M0 + 处理低功耗任务。综合的安全能力维护总控制器的安全性。

图3 | 基于嵌入式单片机的智能家居示例

基于指纹的门锁

安全是必要的,以确保未经授权的人无法通过房门进入住宅。 一个安全的系统可以使用指纹验证来建立。 设计一个门锁,存储授权用户的指纹,可以防止未经授权的人进门。 对于这个应用程序,指纹传感器感知人的手指,嵌入式控制器对该人进行认证,然后门锁被关闭。 更先进的功能也可以实现,如果未经授权的人试图进入住宅,可以触发警报或发送通知给房屋所有者。

一个基于指纹的典型认证系统包括一个指纹传感器/模块,该指纹传感器和处理器运行各种高级算法,如用户注册和身份验证。嵌入式MCU的高性能核心可以执行这些功能,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,指纹模块可以从MCU制造商那里获得,该模块提供了一个通过模块捕捉和验证指纹的整个软件框架。 例如,指纹框架负责向指纹模块生成低级指令,并提供可以调用的封装函数,以执行更复杂的任务,例如"获取指纹图像"或"注册指纹图像" 与模块的SPI通信遵循一种基于中断的方法,即主机发送一个命令并等待模块处理命令。该模块的响应方式是生成一个中断,在这个中断中,主机将读取由模块准备的数据。该模块还可以配置为中断处理器的手指触摸传感器。 这使得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。

数据存储

指纹数据可以存储在内部Flash中。 然而,由于每个指纹图像的大小和指纹的数量控制器可能需要支持在一般的家庭人数,Flash的成本将会增加。由于内部 Flash 是一种高级资源,特别是当设计复杂的应用程序如智能家庭控制器时,将指纹数据存储器卸载到外部存储,这通常是这个用例更好的方法。

外部存储通过一个类似quad-SPI的接口进行交互,提供了一种存储指纹数据的有效方法。 支持XIP (eXecute-In-Place)模式的 Quad-SPI 接口允许CPU将外部存储视为内部 Flash的一部分。这使得外部存储的访问类似于内部的Flash访问,从而简化设计和操作。 此外,quad-SPI接口支持硬件中的即时软件加密和解密(128位 AES) ,确保指纹数据安全地存储在外部存储中。

网络连接

为了将门锁控制器集成到一个智能家庭网络中,使用了BLE。不仅将门锁控制器与智能家居网络相连接,而且提供了一种安全的指纹编码方式。 这是通过将门锁控制器与授权手机配对来实现的。 除了为用户提供配置门锁的接口外,还允许用户控制注册过程(见图4)。

图4 | 智能门锁的安全方案工作流

房间控制和监控

房间控制节点允许用户控制室内的照明、恒温器和其他设备。它们还可以监测温度、湿度等环境参数。 这些节点可以通过智能手机和/或本地控件来控制。 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,光控节点支持基于用户识别的智能控制。例如,当使用经过身份验证的指纹打开房门时,节点可以配置为打开灯。 同样,当有人离开时,门是锁着的时候,灯可以关掉(见图5)。

图5 | 室内控制实现示例

建立安全网络

在通过智能手机进行配置和初始化之后,节点使用BLE安全连接建立基于集群的网络。每个集群的中心节点都支持一个独特的16位标记。在节点配置过程中,每个节点都提供其集群中心节点的令牌和详细信息。这些节点将群集中心添加到一个白名单中,并仅根据请求将标记发送给被白名单的集群中心,以建立连接。 一旦连接建立起来,节点通过通知向中心节点发送数据,中心节点将数据包转发,然后在网络上分发。 数据包可以传递给另一个节点或广播包。 例如,当用户解锁门时,这个信息(即用户1已经进入了房子)可以从门锁节点发送到其集群的中心节点。 然后数据被转发到房间控制节点,最后,房间控制节点打开灯。

图6 | 房间节点控制示例流

基于集群的网络通过启用选择设备(集群中心节点)来处理路由和附加处理,从而消除了通过所有节点路由数据包的需要。这节省了从节点的能量和对处理能力要求,其中许多节点可能在电池上运行。 可以根据所掌握的功力选择中心节点。 该网络类似于低功耗无线个人区域网(6LoWPAN)上的IPv6,其中路由器(中心节点)和主机(边缘节点)。 拥有基于集群的网络还可以简化通过网关(边缘路由器)访问互联网的途径,如果需要的话,可以通过互联网远程控制节点。

图7 | 互联网对房间节点的控制示例

智能家用电器可能相当复杂。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、集成的安全无线连接以及在内部和外部存储中获取个人数据(即捕获的指纹)的机制。 由于物联网的标准正在迅速变化,因此需要安全启动过程来保证电器的更新特性。 此外,固件可配置外设和可编程模块的可用性确保了设备可以集成物联网系统运行所需的许多组件。

对于许多物联网设备来说,电是至关重要的,尤其是那些使用电池的设备。低功耗设计允许设备始终保持并提供即时响应。具有动态电压和主频缩放的双核体系结构允许电器支持高性能的功能,如指纹认证和功率敏感的关键过程,如尾迹触摸。

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