物联网的趋势以及智能家居和可穿戴应用的相关性（二） 物联网, 智能家居, 可穿戴设备, 羿戓设计, 传感器

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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
据羿戓设计所了解，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。

可穿戴应用程序的实现
智能手表不再只是为了显示时间。智能手表通过发送短信、电话和健康监控手段将我们的手腕变成了智能手机套件。可穿戴设备是用户＂几乎总是＂佩戴的无线设备。例如，健身监测器是一种可穿戴设备，可以通过监测心率、锻炼、睡眠习惯、体温、出汗等参数来跟踪人的健康状况。这些设备有多个传感器，通常像智能手机或个人电脑一样可以与互联网连接的设备进行通信。 这些设备有三个主要特征：

始终运行： 因为健身监视器是持续运行的，所以这些设备需要长时间的电池寿命。当设计可穿戴设备时，最大的挑战之一就是他们对电力的渴求，而且他们所能容纳的电池尺寸往往有限。 监控活动： 一个健身器械监测感官、过程、日志和报告用户活动。这包括监测多个传感器和执行＂传感器融合＂，其中多个传感器的数据通过类似DSP的引擎相互关联，以分析更复杂的行为，并以用户可以理解和使用的方式跟踪它们。 交换数据： 这包括将收集和分析的信息传递给其他设备的能力，例如向智能手机发送通知和告警。

图9： 使用嵌入式MCU的可穿戴健康监测设备的实现

活动监测
计步器和卡路里计数器计算一个人行走的步数，并计算出燃烧的卡路里数量。为了检测步数，需要一个加速度传感器。压力传感器也用来测量步行／跑步时海拔的变化。大多数传感器都有一个数字接口，通常是I2C，SPI或UART。需要对已获得的数据进行额外的过滤和处理，以计算步数、高度、燃烧的卡路里等等。这些传感器也用于实现低功耗的系统功能，比如在检测到运动时唤醒整个系统，以便进行实时分析。为了支持多传感器，嵌入式MCU将需要几个数字接口。理想情况下，这些接口可以在I2C、SPI和UART之间进行配置，以使开发人员在传感器选择和实现方面拥有最大的灵活性。此外，嵌入式单片机需要支持一个双核体系结构，它具有一个能够执行传感器融合和复杂分析的单片机，以及一个低功耗的单片机来执行系统任务，如在运动中唤醒。

环境监测
传感器也可能需要收集环境数据，例如紫外线照射量、环境温度、大气压力、指南针方向等。

GPS
全球定位系统传感器通常是带有UART接口的数字传感器。 GPS传感器提供位置（经纬度）、速度和高度信息。

音频
在无线链路传输音频数据之前，数字域的音频信号处理是任何音频系统的重要组成部分。 数据通常采用基于麦克风来收集数据，然后测量、过滤和／或压缩。 具有集成DSP功能和音频功能的嵌入式单片机，可以大大简化高质量、不间断的声音音频子系统的设计。

安全性
可穿戴设备需要能够跟上不断变化的安全协议和措施。带有安全引导功能的嵌入式单片机确保可穿戴设备只执行经过身份验证的代码。此外，设备可以支持在线 OTA （OTA）更新，使更新对用户是透明的。

用户界面
今天的用户已经习惯于使用按钮、滑块和近距离感应来触摸显示器。一个嵌入式的单片机也可以支持不同的输出类型，可以支持各种显示技术，如 Eink，OLED等。

无线连接
设备需要支持可穿戴设备操作的必要服务——无线连接，例如与低耗电蓝牙的连接。

支持所有这些功能需要一个完整的固件流（见图10）。支持可穿戴应用的制造商可以提供完整的库，可以加速开发和降低整体设计的成本。

图10 可穿戴设备的固件流示例

2018-11-20 06:13