何利用可穿戴實(shí)現(xiàn)與智能家居網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互

在本系列文章的第一部分和第二部分中，我們討論了物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)趨勢(shì)，探索了智能家居門(mén)鎖控制器，并通過(guò)示例實(shí)現(xiàn)研究了可穿戴設(shè)備應(yīng)用。在第三部分中，我們將說(shuō)明如何利用可穿戴實(shí)現(xiàn)與智能家居網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。

通過(guò)可穿戴設(shè)備讓智能家居更智能

為了了解可穿戴設(shè)備與智能家居交互的一些方式，讓我們研究一些用例：

智能廚房：智能電器可以使對(duì)兒童有害的電器（即烤箱、爐灶、洗碗機(jī)）僅在父母附近（即父母的健身監(jiān)視器或電話在范圍內(nèi)）運(yùn)行時(shí)運(yùn)行，從而防止事故發(fā)生。

智能車庫(kù)：自動(dòng)車庫(kù)門(mén)不僅可以打開(kāi)。當(dāng)一個(gè)人接近車道或門(mén)時(shí)，可以觸發(fā)“I'm Home”功能，設(shè)置預(yù)先編程的功能序列，例如打開(kāi)車道、車庫(kù)、走廊和廚房的燈。車庫(kù)門(mén)還可以調(diào)整家庭安全設(shè)置，解鎖內(nèi)部車庫(kù)入口門(mén)，將房屋內(nèi)的暖氣調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)溫度，并打開(kāi)家庭音響系統(tǒng)開(kāi)始播放音樂(lè)。

基于手勢(shì)的交互式控制：包括 9 軸運(yùn)動(dòng)感應(yīng)的可穿戴設(shè)備可以確定用戶手腕的方向。可以進(jìn)一步處理此方向數(shù)據(jù)以檢測(cè)基于運(yùn)動(dòng)的手勢(shì)。此類手勢(shì)可用于控制節(jié)點(diǎn)。例如，當(dāng)一個(gè)人靠近前門(mén)時(shí)，他或她可以平握手腕，指向門(mén)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手腕以解鎖門(mén)或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)以鎖定門(mén)。

由于可穿戴設(shè)備中存在多個(gè)靜態(tài)BLE節(jié)點(diǎn)和可用的處理資源，因此可以在有用的精度范圍內(nèi)對(duì)家庭中可穿戴設(shè)備用戶的位置進(jìn)行三角測(cè)量。該位置以及來(lái)自 9 軸傳感器融合算法的偏航數(shù)據(jù)（方向）可以使用戶指向?qū)ο蟛⑴c之交互。圖 6 顯示了用戶在多節(jié)點(diǎn)智能家居環(huán)境中通過(guò)指向燈泡與燈泡進(jìn)行交互的示例。門(mén)鎖、燈泡和溫度節(jié)點(diǎn)，每個(gè)都有一個(gè)靜態(tài)位置，用于對(duì)可穿戴設(shè)備在房屋中的位置進(jìn)行三角測(cè)量。偏航數(shù)據(jù)指示用戶指向的方向。手腕手勢(shì)可用于發(fā)送控制命令或以其他方式與所指向的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。

數(shù)字6. 點(diǎn)和控制示例

PSoC 6 BLE具有最先進(jìn)的安全功能、超低功耗規(guī)格、雙核架構(gòu)和低功耗藍(lán)牙 4.2 無(wú)線電，適合可穿戴設(shè)備和智能家居設(shè)備。

為了能夠在智能家居和可穿戴設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)這樣的交互功能，可穿戴設(shè)備需要具有靈活集成架構(gòu)的嵌入式MCU。為了能夠與可穿戴設(shè)備中的許多傳感器接口，嵌入式MCU必須支持多種不同的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字和模擬接口。MCU可能還需要多個(gè)ADC進(jìn)行信號(hào)采集和集成運(yùn)算放大器，以減小元件和可穿戴設(shè)備外形尺寸。如果可穿戴設(shè)備支持電容式觸摸顯示屏，則需要傳感器和處理資源來(lái)實(shí)現(xiàn)各種觸摸組件，包括按鈕、滑塊和接近傳感器。圖7顯示了可穿戴設(shè)備可能需要的許多功能。

數(shù)字7. 適合與智能家居接口的可穿戴架構(gòu)

此外，如前所述，雙核架構(gòu)將使開(kāi)發(fā)人員能夠提供足夠的處理能力，同時(shí)保持整體低功耗運(yùn)行。圖 8 顯示了如何在低功耗內(nèi)核 （Cortex-M0+） 和高性能內(nèi)核 （Cortex-M4） 之間劃分函數(shù)的示例。

數(shù)字8. 低功耗內(nèi)核（M0+）和高性能內(nèi)核（M4）之間的功能劃分

低功耗運(yùn)行和效率

低功耗對(duì)于通常由電池供電的可穿戴設(shè)備至關(guān)重要。嵌入式MCU需要支持多種工作模式，以使開(kāi)發(fā)人員能夠優(yōu)化電源效率。除了極低的睡眠和休眠模式外，MCU還應(yīng)該能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整內(nèi)核電壓和頻率。

要了解動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放如何節(jié)省大量功耗，請(qǐng)考慮指紋傳感器的示例。不使用指紋傳感器時(shí)，系統(tǒng)可以時(shí)鐘降至較低的頻率和電壓，例如 48 MHz 和 0.9 V （ULP） 內(nèi)核操作。當(dāng)指紋啟用并運(yùn)行時(shí)，由指紋傳感器的“喚醒手指觸摸”中斷指示，系統(tǒng)時(shí)鐘到更高的頻率和電壓，以提供實(shí)時(shí)處理，大約為96 MHz和1.1 V內(nèi)核操作。由于指紋操作并不頻繁，因此該器件大部分時(shí)間都以ULP模式運(yùn)行，從而顯著降低了整體功耗（見(jiàn)圖9）。

數(shù)字9. PSoC 6 BLE – 電源管理示例

優(yōu)化電源效率的另一個(gè)例子是通過(guò)PMIC控制器的管理。例如，PSoC 6嵌入式MCU可以關(guān)閉向自身提供VDD的PMIC。PMIC 可通過(guò)按下開(kāi)關(guān)機(jī)啟用。這消除了對(duì)外部控制PMIC的專用膠合邏輯的需求。在這種省電模式下，MCU幾乎不消耗電流，仍然可以保持時(shí)間。它也可以在需要時(shí)被喚醒。

安全

可穿戴設(shè)備和智能家居網(wǎng)絡(luò)之間的安全通信非常重要。安全性可以在嵌入式MCU中的許多級(jí)別實(shí)現(xiàn)：

BLE 安全性：嵌入式 MCU 需要支持 BLE 規(guī)范的最新安全更新，其中包括 LE 安全連接和鏈路層隱私。鏈路層隱私提供了一個(gè)可解析的私有地址，使黑客難以嗅探設(shè)備。

無(wú)線安全啟動(dòng) （OTA）：安全啟動(dòng)可確保 MCU 僅執(zhí)行信任代碼。與無(wú)線連接可實(shí)現(xiàn)無(wú)線應(yīng)用程序更新，并僅允許在設(shè)備中執(zhí)行受信任的代碼。

加密處理器：在硬件中處理加密方法可顯著簡(jiǎn)化和加速?gòu)?fù)雜的安全算法，簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)并最大限度地減少 CPU 干預(yù)。

從外部存儲(chǔ)器即時(shí)解密：除了加密處理器外，嵌入式處理器還可以在串行存儲(chǔ)器接口上提供即時(shí)加密/解密。此功能極大地簡(jiǎn)化了外部存儲(chǔ)器中加密代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并提供了可靠的實(shí)施。

表1總結(jié)了可以在智能家電和可穿戴設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的許多功能。

桌子1. 智能家電和可穿戴設(shè)備所需的功能

該系列涵蓋了智能家電/控制器和可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)的許多重要方面。借助雙核架構(gòu)，開(kāi)發(fā)人員可以提供實(shí)時(shí)分析傳感器數(shù)據(jù)所需的處理功能，同時(shí)以最高的能效管理實(shí)時(shí)系統(tǒng)任務(wù)。