剖析物聯(lián)網(wǎng)的需求─第二部分

　　在“剖析物聯(lián)網(wǎng)的要求—第一部分”中介紹了先進(jìn)的工藝技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、多核系統(tǒng)的功耗問題、內(nèi)核間的通訊、串行存儲(chǔ)器接口以及系統(tǒng)安全。第二部分, 我們將介紹 BLE 無(wú)線鏈路、模擬前端、智能觸摸界面以及其他重要的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)。

　　無(wú)線連接技術(shù)的發(fā)展：

　　基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備連接仍處于起步階段。這意味著，隨著新應(yīng)用程式的涌現(xiàn)，顯著提高了微控制器(MCU)系統(tǒng)在速度、功耗、范圍和容量方面的需求。該領(lǐng)域的潛在商機(jī)打破了在設(shè)計(jì)方面的局限性。藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟最新(特殊利益集團(tuán))宣布，藍(lán)牙5.0標(biāo)準(zhǔn)定位于電子產(chǎn)業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)需求的典型布局。內(nèi)容指出，全新的 BLE 標(biāo)準(zhǔn)可提供兩倍的傳輸速度、四倍的傳輸范圍以及廣播包的數(shù)據(jù)承載量是上一個(gè)版本的8倍。這些新的技術(shù)特性將極大地促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與我們?nèi)粘Ｉ铋g的各種連接。MCU作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的核心，必須與時(shí)俱進(jìn)，緊跟協(xié)議的發(fā)展進(jìn)程，支持新標(biāo)準(zhǔn)提供的各種特性。以下是即將推出的最新BLE標(biāo)準(zhǔn)的主要特性。

　　· 速度(傳輸更快)：藍(lán)牙5.0傳輸速度上限為2Mbps，是之前4.2版本的兩倍。

　　· 傳輸距離(通信距離更遠(yuǎn))：有效工作距離可達(dá)300米，是舊版本的4倍之多。

　　· 低功耗(延長(zhǎng)電池/設(shè)備工作時(shí)間)：協(xié)議優(yōu)化大大降低了能源消耗，提升了其性能。

　　· 廣播能力(更大的承載量)：協(xié)議優(yōu)化將提升800%增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)廣播包的承載量。

　　· 安全功能：高安全加密及認(rèn)證，確保只允許經(jīng)受權(quán)用戶跟蹤設(shè)備位置和安全配對(duì)。

　　擴(kuò)充處理器容量、內(nèi)存及功耗方面的性能不會(huì)憑空而來(lái)。對(duì)于許多應(yīng)用程序而言，底層硬件(例如MCU)需要做出相應(yīng)調(diào)整以適應(yīng)這些特性。因此，生產(chǎn)商在設(shè)計(jì)下一代MCU時(shí)必須時(shí)刻緊記這些要求。例如，賽普拉斯 PSoC 6 BLE MCU(見圖1)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員提供BLE 5.0所具備的這些功能。

　　圖1：PSoC 6 BLE子系統(tǒng)框圖

　　盡管這些特點(diǎn)會(huì)增加MCU的負(fù)載，但也能為終端用戶帶來(lái)諸多好處：

　　· 性能(范圍優(yōu)勢(shì))：相比于基于物聯(lián)網(wǎng)的其他協(xié)議，如Wi-Fi及ZigBee，BLE已經(jīng)成為無(wú)線通信協(xié)議的首選。改進(jìn)過的覆蓋范圍將確保藍(lán)牙設(shè)備(如揚(yáng)聲器、智能門鎖、燈泡等)可以在家里任意位置實(shí)現(xiàn)完全連接。這是真正實(shí)現(xiàn)智能家居的關(guān)鍵一步。BLE 5.0也有可能取代高功耗的Wi-Fi，控制智能家居設(shè)備。改進(jìn)后的覆蓋范圍還能讓智能手表等設(shè)備更方便地接收來(lái)自智能手機(jī)的即時(shí)通知。

　　· 低功耗(速度優(yōu)勢(shì))：更快的轉(zhuǎn)輸速度提高了響應(yīng)能力。對(duì)于那些非數(shù)據(jù)密集型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)說，更快的速度意味著會(huì)帶來(lái)更低的消耗及更長(zhǎng)的使用壽命。例如，將傳輸速度增加兩倍，發(fā)送/接收時(shí)間減少近一半。這樣就可以減少功耗，因?yàn)樵O(shè)備可以迅速進(jìn)入低功耗模式。此外，更高的傳輸速度支持周期性的設(shè)備軟件更新，這將是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)重要功能。

　　· 無(wú)線連接服務(wù)(廣播容量?jī)?yōu)勢(shì))：廣播容量的顯著增加將使信息傳輸更加豐富和智能化，Beacon等無(wú)線連接服務(wù)將能夠傳輸更多的信息。舉例來(lái)說，Beacon可以傳輸實(shí)際內(nèi)容，而不是通過URL指向內(nèi)容。這可能將重新定義藍(lán)牙設(shè)備傳播信息的方式，因?yàn)樗ㄟ^無(wú)需連接的物聯(lián)網(wǎng)傳輸信息，而非藍(lán)牙配對(duì)設(shè)備模式。這有可能讓資產(chǎn)跟蹤和智能垃圾管理等先進(jìn)的應(yīng)用更加智能地使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

　　智能觸摸界面：

　　正如第一部分中所講到的，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備跨越消費(fèi)類、工業(yè)、汽車和商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。這些應(yīng)用都能受惠于美觀的的用戶界面，且具備產(chǎn)品差異化，如觸摸顯示屏、按鈕/滑塊以及近距離感應(yīng)。為了讓用戶享受最佳體驗(yàn)，觸摸顯示器還需支持手勢(shì)識(shí)別、防水、手腕感應(yīng)及戴手套觸摸。這些特征都可以通過低功耗的電容感應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，除此以外，觸摸感應(yīng)還可以幫助優(yōu)化功耗，例如使用近距離感應(yīng)來(lái)檢測(cè)用戶何時(shí)使用設(shè)備。將電容感應(yīng)集成在 MCU 中則無(wú)需單獨(dú)的專用傳感設(shè)備，此外，此項(xiàng)集成還可以提升功效、性能并且降低成本(參見圖2)。

　　圖2：集成BLE連接與電容式觸摸感應(yīng)的PSoC 6

　　電容感應(yīng)是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用和提高產(chǎn)品特色的關(guān)鍵技術(shù)：

　　智能家居開關(guān)─個(gè)人遠(yuǎn)程控制家用設(shè)備可以為生活帶來(lái)帶來(lái)許多好處，智能家電也是如此。支持智能家電需要兩個(gè)關(guān)鍵的構(gòu)建模塊：一、無(wú)線連接，用于將設(shè)備連接到云端;二、可以由多個(gè)源頭控制的智能開關(guān)，如云端、遙控、智能手機(jī)及/或用戶自身輸入指令。

　　圖3：電容感應(yīng)的智能開關(guān)

　　帶有電容感應(yīng)的智能開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)許多高級(jí)功能：

　　1. 智能調(diào)光─電容感應(yīng)滑塊為調(diào)光功能提供了一個(gè)直觀的物理接口。BLE使調(diào)光器具備無(wú)線連接功能，方便其放置在房屋內(nèi)的任意位置。

　　2. 存儲(chǔ)功能─MCU可以保存其內(nèi)部存儲(chǔ)中選擇的亮度設(shè)置，并在電源中斷或后續(xù)使用時(shí)恢復(fù)設(shè)置。

　　3. 安全性─智能開關(guān)的高壓交流部分與繼電器是隔離的，用戶實(shí)體操作界面部分只用于處理低功率DC，從而保證用戶安全。

　　4. 照明功能─MCU可以在開關(guān)上提供LED照明，以便用戶在黑暗中找到開關(guān)。這一特性可以使用基于電容的近距離感應(yīng)來(lái)啟動(dòng)。

　　5. 手勢(shì)功能─智能開關(guān)具有檢測(cè)近距離和觸摸手勢(shì)的能力，可輕松快速實(shí)現(xiàn)配置以運(yùn)行特定任務(wù)。

　　6. 控制功能─支持基于物聯(lián)網(wǎng)的MCU與電容式感應(yīng)的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了對(duì)開關(guān)的管理，并兼容多個(gè)來(lái)源控制。

　　人體檢測(cè) — 基于電容式感應(yīng)技術(shù)，可以在特定的范圍內(nèi)探測(cè)到包括人體在內(nèi)的任何導(dǎo)電物質(zhì)(由于質(zhì)量的存在)。電容式感應(yīng)技術(shù)豐富了物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備的功能特性趣味化。例如，出于安全性和低功耗因素考慮，可穿戴設(shè)備需要能夠檢測(cè)出設(shè)備是否被使用者配帶在手腕上。其工作原理非常簡(jiǎn)單。當(dāng)用戶佩戴設(shè)備時(shí)，電容式傳感器就會(huì)檢測(cè)到手腕上的手環(huán)進(jìn)而觸發(fā)鎖定裝置，防止他人偷窺到其中的重要數(shù)據(jù)。同理，當(dāng)用戶沒有佩戴設(shè)備時(shí)，則會(huì)進(jìn)入低功耗運(yùn)作模式。這些設(shè)計(jì)有助于延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)，這也是任何可穿戴產(chǎn)品所需要考慮的重要因素。

　　圖 4 ：電容式感應(yīng)手腕檢測(cè)功能

　　電容式觸摸滑塊— 滑塊是一種重要的用戶輸入機(jī)制，可幫助用戶輕松地與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品相互作用。相較于大屏幕設(shè)備而言，此功能特別適用于小型可穿戴式設(shè)備?？紤]到這個(gè)屏幕可能很小，當(dāng)用戶手指覆蓋在屏幕上時(shí)，難以觀看和更改參數(shù)或?qū)Ш讲藛巍ｋ娙莼瑒?dòng)模塊使用戶只需輕輕一掃就可以在不同的菜單/屏幕之間滑動(dòng)。相同的滑塊電極可以被用作點(diǎn)電容式觸摸按鈕，用于輸入數(shù)據(jù)或選擇菜單項(xiàng)。下圖顯示了電容式觸摸滑塊的體現(xiàn)形式。

　　圖 5 ：電容式觸摸滑塊

　　電容式觸摸顯示屏 ─觸摸顯示屏為中型及大型的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供豐富的用戶界面。從微波爐到手持式醫(yī)療設(shè)備，從智能手表到工業(yè)控制器等等。通常，使用電容觸摸技術(shù)結(jié)合顯示屏上透明的銦錫氧化物層(ITO)來(lái)實(shí)現(xiàn)觸摸顯示屏。依據(jù)這種應(yīng)用方式，電容式觸控技術(shù)要求能夠在潮濕的環(huán)境下工作。

　　圖6：電容式觸摸顯示屏

　　基于手勢(shì)的輕薄用戶界面─ 特殊的手勢(shì)在提高用戶體驗(yàn)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。不同的手勢(shì)功能可幫助物聯(lián)網(wǎng)制造商區(qū)分其產(chǎn)品在市場(chǎng)上的地位。例如，一款無(wú)線藍(lán)牙揚(yáng)聲器可直接通過不同的手勢(shì)來(lái)控制音量、上下曲等。手勢(shì)功能已逐漸成為用戶界面最簡(jiǎn)單直觀的形式之一。智能手勢(shì)包括：向左右任意方向滑動(dòng)、單擊、雙擊、長(zhǎng)按鍵等等。設(shè)備可以由指定的用戶手勢(shì)“喚醒”，因此手勢(shì)功能不僅可以簡(jiǎn)化UI，而且還能夠降低功耗。

　　圖7 ：電容式觸控 / 手勢(shì)接近

　　物聯(lián)網(wǎng)傳感器和接口 ：

　　物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通常是由傳感器、安全處理器和無(wú)線鏈路組成。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。人類通過感官與外部環(huán)境進(jìn)行交流。傳感器可以加強(qiáng)人們與其周圍環(huán)境的互動(dòng)。

　　圖 8 ：集成 BLE 連接的PSoC6及電容式觸控模塊

　　物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序普遍含有一個(gè)或多個(gè)傳感器。這些傳感器主要分為數(shù)字傳感器和傳統(tǒng)的模擬傳感器。模擬傳感器連續(xù)不間斷的輸出模擬信號(hào)，如電流或電壓。通過傳感器的量程獲得所對(duì)應(yīng)的測(cè)量值。市面上有多種模擬傳感器，包括環(huán)境光傳感器、溫度傳感器、聲音傳感器和紫外線傳感器等。

　　相比之下，數(shù)字傳感器是通過數(shù)據(jù)的數(shù)字化轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)膫鞲衅?。通過數(shù)字傳感器將被測(cè)量值直接從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。在許多應(yīng)用中，數(shù)字傳感器正逐步取代模擬傳感器。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過電纜或其他媒介傳輸，將不會(huì)產(chǎn)生傳輸損耗。常用的數(shù)字傳感器包括加速度傳感器、壓力傳感器、磁力計(jì)和GPS等。

　　無(wú)論模擬傳感器還是數(shù)字傳感器，都需要通過一個(gè)接口電路將數(shù)據(jù)傳遞到基于物聯(lián)網(wǎng)的MCU上。信號(hào)調(diào)節(jié)電路用來(lái)處理/提高模擬傳感器的信號(hào)輸出。這些電路通常被稱為模擬前端(AFE)。AFE包含一個(gè)偏置電路、一個(gè)放大器、多個(gè)對(duì)比器、一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、多個(gè)模擬多路轉(zhuǎn)換器、多個(gè)參考電壓、一個(gè)用于抑制噪音的濾波網(wǎng)絡(luò)、偏移消除等錯(cuò)誤抑制技術(shù)以及一個(gè)用于數(shù)字化和處理傳感器數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。相反，數(shù)字傳感器只需要一個(gè)數(shù)字化的通信渠道，需要使用一個(gè)通用異步收發(fā)傳輸器(UART)、集成電路總線(I2C)、 串行外設(shè)接口(SPI)或SPI通信端口將其輸出傳送到MCU。

　　將傳感器與傳統(tǒng)的微控制器連接起來(lái)，需要在芯片外構(gòu)建接口電路，盡管某些設(shè)備可能已經(jīng)將一個(gè)固定的ADC集成到了MCU中。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，最理想的莫過于實(shí)現(xiàn)完整的模擬和數(shù)字組件與高度集成的MCU相結(jié)合。

　　圖 9 ：PSoC 6 BLE AFE 及 DFE

　　模擬前端在物聯(lián)網(wǎng)中的用例：

　　讓我們以心率監(jiān)視儀( HRM )為例，了解一下物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)于模擬前端( AFE )都有哪些需求。當(dāng)HRM工作時(shí)，要求模擬信號(hào)調(diào)節(jié)電路以便其正常運(yùn)作。測(cè)量心率有多種方法，最常用的三種是：

　　· 光學(xué)體積描技術(shù)( PPG )

　　· 心電圖( ECG)

　　· 心音圖( PCG)

　　光學(xué)體積描技術(shù)(PPG ) 是一種測(cè)量心血管脈沖波形的光學(xué)方法。通過人體動(dòng)脈血流量的周期性脈動(dòng)引致脈沖波。該測(cè)量方法需要使用一種光源和一個(gè)光電二極管(接收器)實(shí)現(xiàn)。通過紅外線LED光源照射到皮膚上的光線可以檢測(cè)到壓力脈沖所引起的體積變化，然后測(cè)量出傳送或者反射到光電二極管上的光的總量。圖10顯示了PPG測(cè)量方法的AFE電路。

　　圖 10： PSoC 6 BLE AFE 示例─ 光學(xué)體積描技術(shù)(PPG ) 心電圖(ECG)：當(dāng)心臟經(jīng)過去極化和復(fù)極化，會(huì)產(chǎn)生電流會(huì)并擴(kuò)散到整個(gè)身體。通過在人體皮膚上的特定點(diǎn)放置電極來(lái)檢測(cè)這些電脈沖。心電圖(ECG)通過探測(cè)到的這些不同的心電脈沖，來(lái)追蹤心臟的整體跳動(dòng)節(jié)律。由于心臟肌肉的跳動(dòng)作用和被感應(yīng)到的身體點(diǎn)之間的間距，這些電信號(hào)介乎0.1mV至1.5mV。兩個(gè)間距的輸入點(diǎn)間的潛在區(qū)別被運(yùn)算放大器放大。信號(hào)由ADC采樣模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，集成的ADC采樣用于引導(dǎo)補(bǔ)償電流進(jìn)入放大器的反饋回路。通過切斷采樣間的電路模擬部分的電池供電單位以節(jié)省耗電量。

　　圖 11 ： PSoC 6 BLE AFE 示例──心電圖( ECG )

　　心音圖(PCG )：心臟瓣膜在打開和關(guān)閉時(shí)會(huì)產(chǎn)生收縮和擴(kuò)張的聲音，通?？梢酝ㄟ^聽診器聽到。傳聲器用來(lái)采集心跳，以及根據(jù)采集到信號(hào)來(lái)測(cè)量心率。這些聲音都顯示為有節(jié)奏的心率跳動(dòng)。這種聲學(xué)特性在心音描記儀中來(lái)確定心率。對(duì)來(lái)自傳聲器的電信號(hào)進(jìn)行放大，并通過噪聲濾波器消除外部噪聲。使用數(shù)字濾波器從ADC數(shù)據(jù)中過濾出雜音和有節(jié)奏的聲音，從而可以正確的計(jì)算出心率。

　　圖 12 ： PSoC 6 BLE AFE 示例──心音圖( PCG )

　　開發(fā)人員在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)很多選擇。通過了解基于物聯(lián)網(wǎng)MCU的各種功能，選擇集成處理器，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、提高性能、顯著提升產(chǎn)品功效，并且降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。此外，開發(fā)人員可實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用，使設(shè)備更具備易用性，從而領(lǐng)先于市場(chǎng)內(nèi)的其他產(chǎn)品。

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