智能家居應用的連接和安全要求

在第1部分中，我們介紹了一般的智能家居市場趨勢，用戶界面和傳感要求。在這一部分中，我們將介紹智能家居應用的連接和安全要求。

連接

搬出房間，燈自動熄滅;門攝像頭檢測到包裹，它會立即發(fā)送通知;從雜貨中，冰箱為您下訂單。哇因素！這就是連通性的意義所在。您看到的小工具執(zhí)行的所有魔術都取決于連接性。設備與云之間的連接是智能家居設備的必備條件。連接模式可以是有線或無線。無線是廣泛使用的模式，因為它具有明顯的優(yōu)勢。

LPWAN，蜂窩，Zigbee，藍牙，Wi-Fi和RFID涵蓋了智能家居應用的大多數(shù)無線技術。Wi-Fi和藍牙是智能家居設備中廣泛采用或事實上的連接選擇，因為它們在帶寬，吞吐量，范圍和功耗方面的多功能性。藍牙用于低帶寬、短距離和低功耗應用。另一方面，Wi-Fi用于需要互聯(lián)網(wǎng)連接的高帶寬和遠程應用。在系統(tǒng)中，藍牙和Wi-Fi可以共存以克服其他（例如CYW43012）的缺點家庭中的電池供電設備使用藍牙作為相互通信的媒介，然后藍牙到Wi-Fi橋接器使這些設備能夠連接到互聯(lián)網(wǎng)。許多MCU將無線連接作為其SIP封裝的一部分。這不僅節(jié)省了成本，還節(jié)省了芯片占用的面積。此外，它還在物理上保護MCU和連接芯片之間的通信通道。

智能家居中 WiFi 連接實施的示例

考慮一個用例，其中有多個傳感器監(jiān)控整個家庭的濕度，溫度，土壤濕度等。恒溫器、加濕器和工廠水控制器等多個控制器使用來自這些傳感器的數(shù)據(jù)。房屋內(nèi)的這些傳感器和控制器可以使用藍牙或低功耗藍牙（BLE）連接來相互通信，并與用戶智能手機或運行Google Home或亞馬遜Alexa的統(tǒng)一控制器進行通信。該控制器將反過來將傳感器網(wǎng)絡連接到互聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)遠程控制和監(jiān)控。雖然位于房間中的傳感器可能受到功率限制，但這些控制器通?？梢允褂脡Ρ?a target="_blank">電源。這將決定我們?yōu)橹悄芗揖迎h(huán)境中的每個設備選擇的設備類型。傳感器需要超低功耗 BLE 控制器（如 PSoC 6 BLE），而控制器可以在單個封裝中包含帶 MCU、WiFi 和 BT 的 SIP，例如 CYW9P62S1-43012EVB-01 SIP 封裝，以提供控制器應用所需的額外處理和功能。

借助庫和 RTOS 環(huán)境，可以更輕松地按優(yōu)先級安排任務，使單個 MCU 能夠處理和協(xié)調(diào)所有操作。具有顯示器、觸摸感應和無線連接的設備可以適用于各種智能家居應用。智能恒溫器，智能咖啡機，智能冰箱等就是最好的例子。

安全

我們討論的所有功能都只能使設備智能化。隨著連接的多功能性，安全威脅的缺點也隨之而來。安全威脅的范圍可以從簡單的數(shù)據(jù)盜竊到惡意固件或應用程序執(zhí)行，這些固件或應用程序執(zhí)行可能會危及整個系統(tǒng)，進而危及房屋。因此，設備及其執(zhí)行環(huán)境也必須是安全的。

首先，在安全性方面，主要重點是確保通信網(wǎng)絡的安全。對于安全網(wǎng)絡，底層通信芯片應具有 WPA 和 WPA2（個人）支持，以提供強大的加密和身份驗證，以及 WLAN 硬件中的 AES，以實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)加密和 IEEE 802.11i 兼容性。使用低功耗藍牙的設備應具有硬件支持的安全連接，以實現(xiàn)最高級別的藍牙網(wǎng)絡安全。除了這些網(wǎng)絡安全主干網(wǎng)外，還應使用證書等其他安全功能來驗證智能系統(tǒng)正在與之通信的設備/服務器。許多物聯(lián)網(wǎng)MCU為外部存儲提供基于硬件的加密數(shù)據(jù)記錄，以提供額外的安全存儲。

無線 （OTA） 更新構(gòu)成了另一類安全增強器。它有助于將重要的安全補丁應用于正在運行的應用程序，甚至應用于無線主機/控制器固件。OTA還引入了新功能，并允許設備在市場上更具相關性。安全存儲、安全操作和安全通信應成為任何基于智能家居的應用程序的指南。

對于任何具有可升級固件的應用程序，首要的要求是確保它從預期源運行正版固件。此外，根據(jù)安全要求，升級或補丁也需要加密。這些身份驗證和加密過程本身應該是防篡改的。這需要從MCU硬件中的啟動開始的信任根流，例如使用非可編程代碼和防篡改硬編碼密鑰啟動MCU。這將確保引導代碼使用密鑰執(zhí)行的加密和身份驗證過程始終可以信任。

建立信任根后，身份驗證和加密過程提供的安全級別就會發(fā)揮作用。公鑰-私鑰算法（如 RSA 或橢圓曲線算法）與 SHA 結(jié)合使用可用于安全身份驗證，AES 算法可用于加密。與任何加密算法一樣，密鑰非常重要，需要安全保護/存儲。MCU 需要集成的硬件支持來提供信任根并保護密鑰。例如，PSoC 64 將安全性與連接、處理和外設集成在一起。它采用雙核方法，安全M0 +內(nèi)核運行可信環(huán)境并處理所有安全執(zhí)行，而非安全M4內(nèi)核運行智能家居系統(tǒng)的身份驗證用戶應用程序。

雖然在設備中執(zhí)行經(jīng)過身份驗證的代碼很重要，但保護與存儲此信息的外部存儲器的連接也很重要。這些信息可能不是在所有情況下都是敏感的。但是，對于那些存儲敏感信息（如傳感器數(shù)據(jù)日志、固件更新補丁，甚至是從外部存儲器執(zhí)行的代碼）的應用程序，最好使用通過存儲器接口的加密機制。提供動態(tài)加密和解密的MCU被認為是一個額外的優(yōu)勢。這種加密機制可確保存儲在外部存儲器中的數(shù)據(jù)是安全的，即使黑客掌握了硬件。對于從外部存儲器執(zhí)行代碼，首選動態(tài)加密/解密機制。例如，PSoC 6 器件系列通過 Quad-SPI 存儲器接口提供動態(tài) AES 加密/解密機制，以及用于高級加密/解密選項的單獨專用加密硬件。

集成解決方案（圖形、觸摸、傳感和無線系統(tǒng)）：

到目前為止，我們討論的各個功能使智能家居設備對市場非常有吸引力。所有這些功能在單獨使用時都可以很好地工作，但是將它們集成在一起工作需要大量的設計關注。最大的挑戰(zhàn)是構(gòu)建一個在不增加整體系統(tǒng)成本的情況下提供最佳性能和系統(tǒng)安全性的系統(tǒng)。所有MCU都具有有限的閃存、有限的內(nèi)存、有限的外設和有限的CPU時間來執(zhí)行任何操作。在設計如此復雜的系統(tǒng)時，這些有限資源的分配決定了智能小工具的最終性能。

構(gòu)建集成解決方案的挑戰(zhàn)：

1. 集成

第一個挑戰(zhàn)是將所有功能集成到應用程序中。通過為WiFi連接、MCU處理、用戶界面等單個功能使用不同的芯片，需要為單個芯片及其組件提供額外的空間，芯片之間的通信開銷以及影響上市時間的不同開發(fā)平臺開銷。值得研究的是提供各種功能集成的解決方案/芯片 - 這降低了成本并縮短了上市時間。像 CYW9P62S1-43012EVB-01 這樣的設備是為物聯(lián)網(wǎng)應用構(gòu)建集成架構(gòu)的一個很好的例子。

2. 性能

下一個挑戰(zhàn)是滿足性能要求以及集成。性能要求可能因連接性能到用戶界面響應能力而異。這就是需要權(quán)衡集成價值的地方。當您將更多功能集成到單個芯片中時，系統(tǒng)的性能方面開始受到打擊。為了滿足性能要求，同時享受集成需要多核芯片架構(gòu)，其中每個內(nèi)核負責單獨的功能，例如WiFi連接相關處理，一般應用處理，安全性和UI處理等。

在實際方案中，所有功能都不需要同時以峰值性能運行。例如，當沒有人嘗試與設備交互時，無需分配資源來處理用戶界面。可以在空閑時間事先處理必要的后臺數(shù)據(jù)，并且可以在使用過程中卸載任務。這就是接近傳感器和其他傳感器派上用場的地方：可以處理來自這些傳感器的數(shù)據(jù)，以將資源分配給僅在該時刻需要的任務。例如，觸摸處理只能在接近或觸摸檢測（成組傳感器）上啟動?？捎玫馁Y源與分配它們的設計器一樣好。通過仔細分析系統(tǒng)在不同時刻的需求，并僅在需要時分配資源，是獲得峰值系統(tǒng)性能的關鍵因素。

3. 安全

最后，隨著智能家居和物聯(lián)網(wǎng)成為技術的未來，對安全實施的需求正在上升。集成架構(gòu)的另一個優(yōu)點是外設的硬件探測范圍有限，否則在多芯片實現(xiàn)中是不可能的。此外，確保應用程序的安全操作環(huán)境將是應對和克服這一挑戰(zhàn)的關鍵。

審核編輯：郭婷