智能家居市場(chǎng)趨勢(shì)、用戶界面和傳感要求

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用正在以非?？斓乃俣仍鲩L(zhǎng)，并且在過(guò)去幾年中一直在影響我們的生活。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的潛在范圍是無(wú)窮無(wú)盡的，智能家居仍然是消費(fèi)者中最受歡迎的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。我們的家庭一天比一天更智能。對(duì)智能家居設(shè)備的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到 2023 年我們將擁有超過(guò) 10 億臺(tái)設(shè)備。

智能家居是一個(gè)相對(duì)術(shù)語(yǔ)，因?yàn)閷?duì)于某些人來(lái)說(shuō)，它只是意味著為其他人使用智能揚(yáng)聲器和智能恒溫器，它可能包括智能燈泡、智能鎖或智能安全攝像頭。這些家用設(shè)備，如燈泡、相機(jī)和恒溫器已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間，但現(xiàn)在是什么讓它們變得智能呢？感知和適應(yīng)性、直觀的用戶界面、與云的連接以及安全的執(zhí)行環(huán)境是使它們變得智能的主要因素。本文涵蓋了此類智能家居設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，并介紹了如何實(shí)現(xiàn)它們。

在這一部分中，我們將介紹一般智能家居市場(chǎng)趨勢(shì)、用戶界面和傳感要求。在第 2 部分中，我們將介紹面向智能家居市場(chǎng)的設(shè)備的連接和安全要求。

市場(chǎng)趨勢(shì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在將普通家庭轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芗揖?。人們享受通過(guò)集成網(wǎng)絡(luò)控制整個(gè)房屋的權(quán)力。我們生活在一個(gè)智能設(shè)備根據(jù)天氣狀況提醒我們攜帶雨傘的時(shí)代。對(duì)智能家居設(shè)備的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到 2023 年我們將擁有超過(guò) 10 億臺(tái)設(shè)備。

智能家居設(shè)備

人類之所以繁榮了幾十萬(wàn)年，是因?yàn)樗麄冇幸粋€(gè)內(nèi)在的品質(zhì)：人與人之間的互動(dòng)。對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，期望他們的設(shè)備和小工具表現(xiàn)相似并不奇怪。小工具相互連接或連接到網(wǎng)絡(luò)的這種能力使它們更接近智能。需要智能控制器/處理器和連接設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)這些智能家居設(shè)備所需的功能。需求是使用集成盡可能多的功能的控制器，以最佳成本設(shè)計(jì)獨(dú)特的解決方案。最重要的功能包括具有豐富圖形用戶界面的顯示器、從用戶和環(huán)境獲取輸入的觸摸和感知、交換數(shù)據(jù)和云處理的連接、用于數(shù)據(jù)記錄的安全執(zhí)行環(huán)境、經(jīng)過(guò)證明和加密的應(yīng)用程序執(zhí)行、安全的無(wú)線 （OTA） 更新等。

顯示界面：具有豐富圖形用戶界面的顯示。MCU提供RGB，Intel 8080，SPI，I2C等接口，用于驅(qū)動(dòng)顯示器。

觸摸和感知，從用戶和環(huán)境獲取輸入。需要具有集成觸摸功能的MCU和用于模擬和數(shù)字傳感器接口的靈活外設(shè)。

處理能力：MCU需要具有像Cortex-M4這樣的處理器內(nèi)核，以處理智能家居應(yīng)用的廣泛處理需求。

與云和家庭中的其他設(shè)備交換數(shù)據(jù)的連接。WiFi 和藍(lán)牙是云和本地連接最受歡迎的接口。

用于存儲(chǔ)、操作和通信的安全執(zhí)行環(huán)境。

顯示和圖形

用戶界面是最重要的功能之一，因?yàn)檫@是用戶和智能設(shè)備之間的第一個(gè)接觸點(diǎn)。大多數(shù)智能設(shè)備都提供多種與用戶交互的方法，包括內(nèi)置顯示器、智能手機(jī)、遙控器、語(yǔ)音控制等。帶有內(nèi)置顯示屏的設(shè)備是最受歡迎的，因?yàn)橛脩艨梢赃M(jìn)行交互而無(wú)需使用其他額外的設(shè)備，從而節(jié)省成本。通常，內(nèi)置顯示器具有觸摸功能，具有信息豐富的GUI，使設(shè)備易于用戶使用。

串行外設(shè)接口（SPI），內(nèi)部集成電路（I2C），RGB（紅綠藍(lán)），移動(dòng)工業(yè)處理器接口（MIPI）等是一些趨勢(shì)顯示接口。每種類型在使用引腳、帶寬、顯示尺寸和刷新率方面都有自己的優(yōu)勢(shì)。

RGB接口在智能家居應(yīng)用的顯示接口中非常受歡迎，因?yàn)樗梢砸院侠淼纳詈土己玫乃⑿侣黍?qū)動(dòng)中型顯示器，同時(shí)具有成本效益。但是驅(qū)動(dòng)RGB接口通常需要在MCU中實(shí)現(xiàn)專用圖形IP。通常，MCU不附帶集成控制器。那些具有集成圖形IP的MCU往往成本更高，并且對(duì)于智能家居應(yīng)用來(lái)說(shuō)往往矯枉過(guò)正。

在本文中，我們將解釋一種使用簡(jiǎn)單的MCU外設(shè)（無(wú)需CPU干預(yù)）驅(qū)動(dòng)這些顯示器的創(chuàng)新方法，從而為該問(wèn)題提供一種經(jīng)濟(jì)高效的方法。在我們展示如何在沒(méi)有專用昂貴圖形IP的情況下使用MCU實(shí)現(xiàn)顯示控制器之前，讓我們花一些時(shí)間了解RGB接口。RGB 接口是一種并行接口，其中直接驅(qū)動(dòng)顯示器的紅色、綠色和藍(lán)色像素。它需要 2 組稱為控制信號(hào)和像素?cái)?shù)據(jù)的信號(hào)?？刂菩盘?hào)由垂直同步、水平同步、數(shù)據(jù)啟用和點(diǎn)時(shí)鐘組成?？刂菩盘?hào)如下圖3所示。

如果我們仔細(xì)觀察這些信號(hào)，我們可以看到這些信號(hào)是以特定方式同步的PWM。決定像素顏色的像素?cái)?shù)據(jù)必須與點(diǎn)鐘同步發(fā)送到顯示器，并使能數(shù)據(jù)。這可以使用 DMA 完成。除了PWM和DMA，還需要一些邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)。圖 4 顯示了使用PSoC 6連接設(shè)備的一種此類實(shí)現(xiàn)，它使用 PWM、DMA 和智能 IO（用于邏輯功能）。

有幾種方法可以通過(guò)交換PWM模塊的位置來(lái)獲得相同的結(jié)果。這一切都?xì)w結(jié)為底層芯片提供什么和多少 IP。您可能還會(huì)注意到圖 4 中放置的邏輯 AND 塊。它可以被任何執(zhí)行所需 AND 操作的硬件塊所取代（如PSoC 6 中的 Smart-IO）。模塊之間的同步（以及最終控制信號(hào)之間的同步）是通過(guò)公共源時(shí)鐘和PWM的對(duì)齊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)該注意的一個(gè)重要因素是，這種實(shí)現(xiàn)需要零CPU利用率來(lái)持續(xù)驅(qū)動(dòng)顯示器。

現(xiàn)在硬件實(shí)現(xiàn)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，我們需要適當(dāng)?shù)墓碳?lái)完成圖形接口。有很多嵌入式圖形庫(kù)可以處理圖形操作;一個(gè)這樣的例子是emWin圖形庫(kù)。此庫(kù)只需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序即可與硬件通信。庫(kù)提供的 API 為用戶抽象出底層圖形硬件，大大簡(jiǎn)化了 GUI 設(shè)計(jì)。

觸摸屏

觸摸屏徹底改變了我們與設(shè)備交互的方式。它們非常直觀和方便，用戶無(wú)需任何學(xué)習(xí)或培訓(xùn)即可操作。對(duì)于許多原始設(shè)備制造商來(lái)說(shuō)，僅此一項(xiàng)就是在智能設(shè)備中使用觸摸屏的主要驅(qū)動(dòng)因素。兩種最流行的觸摸屏類型是電阻式和電容式。

電阻式觸摸的工作原理是使頂層在觸摸時(shí)與底層接觸。這將關(guān)閉一個(gè)電路，提供接觸點(diǎn)。電阻式觸摸通常用于單點(diǎn)觸摸檢測(cè)。電容式觸摸的工作原理是檢測(cè)觸摸感應(yīng)層上的電容變化。電容式觸摸可以檢測(cè)多個(gè)觸摸點(diǎn)，與電阻式觸摸相比，需要的物理力更小。電容式觸摸屏主要用于智能家居應(yīng)用。一些MCU提供集成解決方案，以與電容式觸摸屏/屏幕（即PSoC 6MCU中的CapSense外設(shè)）進(jìn)行交互。

智能家居應(yīng)用中的觸摸傳感

鑒于電容式觸摸技術(shù)的易用性、耐用性和響應(yīng)能力，電阻式屏幕已成為過(guò)去。如今，問(wèn)題不在于選擇電阻式或電容式觸摸屏，而在于在具有給定要求的應(yīng)用中使用什么級(jí)別的電容式觸摸解決方案。電容式觸摸屏解決方案的范圍從簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效的單點(diǎn)觸控解決方案到功能豐富的具有防水和懸停支持的多點(diǎn)觸控解決方案。

對(duì)于恒溫器或咖啡機(jī)等設(shè)備所需的簡(jiǎn)單智能家居圖形用戶界面，首選更簡(jiǎn)單、更具成本效益的實(shí)現(xiàn)。或者，更復(fù)雜的GUI（例如運(yùn)行成熟操作系統(tǒng)的智能家居中央控制器）需要功能豐富的實(shí)現(xiàn)，以使用戶能夠訪問(wèn)所有可用功能。最后，這是在觸摸屏提供的成本與功能之間進(jìn)行權(quán)衡。

許多原始設(shè)備制造商提供集成電容感應(yīng)的MCU，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并降低系統(tǒng)成本。例如，PSoC 6 MCU系列提供了智能家居應(yīng)用所需的全系列電容式觸摸解決方案。它為簡(jiǎn)單的單點(diǎn)觸控解決方案提供CSD自電容方法，為多點(diǎn)觸控解決方案提供CSX互電容方法，以及兩者的動(dòng)態(tài)組合，以提供具有防水性，接近性和懸停支持的多點(diǎn)觸摸解決方案。根據(jù)應(yīng)用的不同，抗噪性（信噪比）和防水性可能是一個(gè)重要的考慮因素。從軟件的角度來(lái)看，訪問(wèn)直觀的工具也很重要。例如，CapSense配置器和中間件庫(kù)與ModusToolbox IDE相結(jié)合，極大地簡(jiǎn)化了觸摸傳感的實(shí)施。

由于觸摸和圖形是相輔相成的，嵌入式圖形庫(kù)通常也具有用于處理觸摸的 API。用戶應(yīng)用程序應(yīng)通過(guò)觸摸庫(kù)獲取觸摸點(diǎn)的 x-y 坐標(biāo)，然后將這些坐標(biāo)傳遞給圖形庫(kù)以執(zhí)行預(yù)期的操作。圖形庫(kù)還提供了用于創(chuàng)建智能家居設(shè)備所需 UI 的工具。

此外，接近感應(yīng)還廣泛用于將器件從低功耗模式喚醒。這可確保在不使用設(shè)備時(shí)關(guān)閉顯示和觸摸處理。電容式觸摸處理通常也能夠使用相同的傳感器處理接近度。

感知環(huán)境

智能家居設(shè)備成功的因素之一是它們能夠在沒(méi)有人機(jī)交互的情況下感知周圍環(huán)境。通過(guò)了解其周圍條件，設(shè)備可以讓算法做出解釋并為用戶提供合適的選擇。一些廣泛使用的傳感器及其應(yīng)用是：

運(yùn)動(dòng)傳感器：用于家庭安全系統(tǒng)。如果在意外時(shí)間有動(dòng)作，則提醒所有者。

溫度傳感器：用于恒溫器和閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)。

環(huán)境光傳感器：用于花園和其他感興趣區(qū)域的自動(dòng)照明系統(tǒng)。

煙霧傳感器：用于自動(dòng)滅火器。

土壤濕度傳感器：用于自動(dòng)植物澆水系統(tǒng);智能園藝

傳感器提供數(shù)據(jù)，而真正的處理是MCU。傳感器大致可分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器。模擬傳感器以模擬電壓/電流的形式提供檢測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)字傳感器根據(jù)配置的范圍以數(shù)字計(jì)數(shù)的形式提供檢測(cè)數(shù)據(jù)。

要讀取模擬數(shù)據(jù)，您需要一個(gè)ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。大多數(shù)MCU（如PSoC 6）都提供集成ADC，以便在內(nèi)部執(zhí)行這種模數(shù)轉(zhuǎn)換。有時(shí)，模擬信號(hào)在轉(zhuǎn)換前可能必須經(jīng)過(guò)一些預(yù)處理（如放大、濾波等）。如果運(yùn)算放大器等可編程外設(shè)是MCU本身的一部分，則預(yù)處理也可以在內(nèi)部處理。

許多傳感器都有額外的電路，可以處理模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字輸出。該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通常通過(guò)串行通信總線發(fā)送出去。這不僅減輕了MCU端的處理負(fù)擔(dān)，而且可以更快地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。數(shù)字傳感器的主要缺點(diǎn)是由于其額外的電路而成本較高。

綜上所述，如果您擔(dān)心設(shè)計(jì)成本和面積，選擇能夠高效處理模擬數(shù)據(jù)的MCU更具成本效益。MCU還應(yīng)該通過(guò)其外設(shè)的可配置性和可編程性來(lái)靈活地調(diào)整它們以滿足應(yīng)用的要求。

審核編輯：郭婷