英飛凌XENSIV連接傳感器套件解決更多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 正在興起。智能設(shè)備正在釋放技術(shù)優(yōu)勢(shì)，幫助人們創(chuàng)造附加值，提高行業(yè)生產(chǎn)率。然而，物聯(lián)網(wǎng)也帶來了許多挑戰(zhàn)，例如新技術(shù)的復(fù)雜性，以及獲取和處理數(shù)據(jù)以做出明智決策的需求。換句話說，將產(chǎn)品特性轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)解決方案是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。英飛凌通過提供基于XENSIV 連接傳感器套件的可立即部署的解決方案來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。該套件是一個(gè)原型平臺(tái)，用于簡(jiǎn)化和加速新應(yīng)用和創(chuàng)新用例的開發(fā)。

雖然定義物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的方法有很多種，但物聯(lián)網(wǎng)通常被稱為連接到互聯(lián)網(wǎng)的“物”網(wǎng)絡(luò)。“物”是配備傳感器、執(zhí)行器、處理能力和連接性的物理對(duì)象。物聯(lián)網(wǎng)世界中的設(shè)備通常被定義為“智能設(shè)備”。智能部分主要是收集和解釋傳感器數(shù)據(jù)的結(jié)果，用于觸發(fā)動(dòng)作。這就需要連接到互聯(lián)網(wǎng)或?qū)Ｓ迷?，以便設(shè)備可以相互交互，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)交換數(shù)據(jù)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。這樣，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就可以幫助人們解決社會(huì)挑戰(zhàn)，為人們帶來好處，并提高行業(yè)生產(chǎn)率。

數(shù)十億臺(tái)互聯(lián)設(shè)備已投入使用，預(yù)計(jì)未來這一數(shù)字將穩(wěn)步增長 （圖 1a）。物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施是智能家居市場(chǎng)增長的最重要驅(qū)動(dòng)力之一。根據(jù) Statista 的數(shù)據(jù)，到 2027 年，全球家庭中的智能設(shè)備數(shù)量將會(huì)翻一番 （圖 1b）。

圖 1a. 2019-2030 年全球物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備數(shù)量（以十億計(jì)）

圖 1b. 智能家居分析中包含的所有產(chǎn)品類型都將在不久的將來實(shí)現(xiàn)巨大增長

釋放物聯(lián)網(wǎng)的力量

每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的核心都是微電子：傳感器、執(zhí)行器、微控制器、通信模塊和安全組件。這些組件使系統(tǒng)能夠測(cè)量、處理相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)，并連接到互聯(lián)網(wǎng)。然而，要構(gòu)建成功的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，僅僅能訪問物理模塊還不夠。這些模塊還必須能快速高效地集成到網(wǎng)絡(luò)中，必須以智能方式處理大量數(shù)據(jù)，必須建立穩(wěn)定安全的云連接。

圖 2. 英飛凌 XENSIV 連接傳感器套件 (CSK) 配備了 XENSIV BGT60TR13C 雷達(dá)和XENSIV PAS CO2 傳感器

為了克服這些基本挑戰(zhàn)并進(jìn)一步加速開發(fā)，英飛凌提供了一個(gè)專用的開發(fā)平臺(tái)，工程師借助該平臺(tái)能夠快速、輕松、安全地實(shí)施其物聯(lián)網(wǎng)理念。XENSIV 連接傳感器套件 (CSK) 是英飛凌的第一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器平臺(tái)（圖 2），支持基于英飛凌雷達(dá)、環(huán)境傳感器及其他傳感器的快速原型設(shè)計(jì)和開發(fā)。希望快速設(shè)計(jì)、部署物聯(lián)網(wǎng)解決方案的客戶可以訪問英飛凌的一體化開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，其中包含全面?zhèn)鞲衅鲙煲约皞鞲衅骱瓦B接用例的應(yīng)用代碼示例。所有這些特性使客戶能夠顯著縮短智能家居或智能樓宇應(yīng)用從概念驗(yàn)證到完全開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的時(shí)間。

圖 3. 英飛凌 XENSIV 連接傳感器套件中的組件

英飛凌物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的構(gòu)建塊

XENSIV 連接傳感器套件 (CSK) 包括四個(gè)基本構(gòu)建塊（圖 4）：

圖 4. XENSIV 連接傳感器套件支持的創(chuàng)新用例示例

感測(cè)：傳感器賦予物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備人類感官，建立態(tài)勢(shì)感知。在英飛凌眾多傳感器產(chǎn)品組合中，XENSIV DPS368 氣壓、XENSIV BGT60TR13C 雷達(dá)和 XENSIV PAS CO2 傳感器已集成到 CSK 中。以后將會(huì)繼續(xù)添加其他傳感器實(shí)現(xiàn)。在參考設(shè)計(jì)中的感測(cè)元件極具特色，同時(shí)也包括所有必要的組件，例如穩(wěn)壓器、電壓轉(zhuǎn)換器和振蕩器。這在設(shè)計(jì)和測(cè)試階段節(jié)省了大量時(shí)間和資源，降低了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和 BOM 成本。

計(jì)算：微控制器 (MCU) 處理獲取的數(shù)據(jù)、做出決策，并協(xié)調(diào)與設(shè)備的通信。物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)ξ⒖刂破鞯囊笈c物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用本身一樣極具多樣化。CSK 采用 PSoC 62，這是一款專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的低功耗、高性能 32 位 Arm MCU。應(yīng)用代碼示例通過 ModusToolbox 軟件環(huán)境提供，可以讓基于PSoC 處理平臺(tái)上的評(píng)估和開發(fā)工作更容易。代碼示例包括三層：1. BSP（板級(jí)支持包），包括時(shí)鐘、外設(shè)和參考評(píng)估板引腳的配置說明；2. 傳感器驅(qū)動(dòng)程序，包括與 XENSIV 傳感器連接的函數(shù)；3. 算法層，其中包括從傳感器原始數(shù)據(jù)到經(jīng)過處理的應(yīng)用輸出的整個(gè)信號(hào)處理鏈。

連接：為了使設(shè)備能夠相互通信，并與云實(shí)現(xiàn)通信，模塊需要連接到物聯(lián)網(wǎng)。對(duì)于外形小巧的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，英飛凌的 CSK 提供了 AIROC 連接組合模塊，在單芯片解決方案中集成了雙頻 2.4 GHz 和 5 GHz Wi-Fi 4 (802.11n) 和藍(lán)牙 5.0。關(guān)于軟件資產(chǎn)(在軟件實(shí)例部分)，我們使用 CSK 演示了 MQTT 客戶端實(shí)現(xiàn)。MQTT 是物聯(lián)網(wǎng)中非常流行的開源發(fā)布/訂閱通信協(xié)議，因?yàn)樗?strong>可以跨平臺(tái)使用，同時(shí)占用的帶寬最小。發(fā)布器(端)和訂閱器(端)在空間上解耦(相互獨(dú)立)?？蛻舳诉B接到配置的 MQTT 代理：客戶端發(fā)送消息（發(fā)布器）以傳達(dá)傳感器事件，并從代理接收消息（訂閱器）。用戶無需為客戶端識(shí)別生成證書和密鑰；這塊由英飛凌負(fù)責(zé)幫您實(shí)現(xiàn)。

安全：安全性是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，因?yàn)橹挥性?a target="_blank">嵌入式系統(tǒng)中有足夠的安全性和隱私性，才有可能建立必要的信任，以增強(qiáng)和充分探索物聯(lián)網(wǎng)的可能性。這便是英飛凌 OPTIGA Trust M 的優(yōu)勢(shì)所在，它為嵌入式安全解決方案和使用 CSK 時(shí)的安全移動(dòng)連接提供了理想的解決方案。運(yùn)行 OPTIGA Trust M 設(shè)置時(shí)，即可以從主機(jī)庫中受益，主機(jī)庫專用 API 以與安全芯片交互，還可以從相互驗(yàn)證、安全通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)和安全 OTA 軟件更新等示例應(yīng)用中受益。

支持 CSK 的用例

獲取、處理和解釋數(shù)據(jù)的能力，以及與其他設(shè)備通信、互連的能力，正在成為降低功耗、提高多種環(huán)境安全性，甚至讓我們的日常生活變得更加舒適的強(qiáng)大工具。

例如，一個(gè)要求頗高的智能設(shè)備功能是存在檢測(cè)，旨在通知附近是否有人類目標(biāo)。照明、聲音、供暖、制冷、通風(fēng)和門禁系統(tǒng)都可以從這些信息中受益，并可以及時(shí)激活，提高用戶舒適度，同時(shí)也能節(jié)省能源。英飛凌基于雷達(dá)的高靈敏度存在檢測(cè)解決方案不僅能夠檢測(cè)宏觀運(yùn)動(dòng)，還能夠檢測(cè)微觀運(yùn)動(dòng)。用戶與設(shè)備的交互會(huì)變得更加自然，因?yàn)橛脩魺o需再在感測(cè)元件前揮手以確保設(shè)備做出反應(yīng)。傳感器集成和算法開發(fā)是主要挑戰(zhàn)，但英飛凌的 CSK 可以在這方面提供幫助，可為存在檢測(cè)提供參考設(shè)計(jì)和可立即部署的用例。

另一個(gè)用例體現(xiàn)在醫(yī)療保健和健康方面：英飛凌的 XENSIV BGT60TR13C 雷達(dá)傳感器可以檢測(cè)人體胸部由心肺活動(dòng)引起的細(xì)微運(yùn)動(dòng)。英飛凌的雷達(dá)解決方案可確保持續(xù)監(jiān)測(cè)呼吸和心跳，而無需與用戶直接接觸或記錄隱私敏感信息。持續(xù)的生命體征跟蹤可用于提高我們的健康意識(shí)，也有助于醫(yī)療保健專業(yè)人員研究生命體征信號(hào)與年齡、性別和生活習(xí)慣的關(guān)系。該解決方案提供了有關(guān)不同人群健康和幸福感的及時(shí)信息：可以在家中持續(xù)監(jiān)測(cè)老年人，從而減少去醫(yī)院和醫(yī)生診所就診的次數(shù)；也可以在夜間監(jiān)測(cè)嬰兒，讓父母更加方便和安心，無需再經(jīng)常查看育兒室。

CSK 與 XENSIV PAS CO2傳感器結(jié)合使用，可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)。通風(fēng)不良會(huì)導(dǎo)致氧氣含量降低和二氧化碳（CO2）積聚。即使是中等濃度的 CO2 也會(huì)對(duì)健康和工作效率產(chǎn)生負(fù)面影響：當(dāng)濃度達(dá)到 1000 ppm 時(shí)，人們就開始感到困倦，難以集中注意力。如果 CO2 傳感器在房間內(nèi)的空氣質(zhì)量惡化時(shí)能立即發(fā)出警告，那當(dāng)然是件好事。然而，為了充分利用互聯(lián)世界的可能性，CO2 傳感器預(yù)計(jì)會(huì)先將此類警告發(fā)送到自動(dòng)化系統(tǒng)，之后再通過調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)或自動(dòng)打開窗戶來做出相應(yīng)的反應(yīng)。得益于按需控制的通風(fēng)系統(tǒng)、空氣凈化器和恒溫器，配備實(shí)時(shí) CO2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能家居可以從改善的空氣質(zhì)量和更加舒適的環(huán)境中受益。

需要考慮的一個(gè)方面是節(jié)能的巨大潛力，因?yàn)榛ヂ?lián)設(shè)備只有在用戶處于范圍之內(nèi)才能激活。歐盟約 50% 的能源消耗來自樓宇和工業(yè)中的供暖和制冷系統(tǒng)。例如，配備英飛凌 CO2 傳感器的通風(fēng)系統(tǒng)可節(jié)省高達(dá) 55% 的能耗。在樓宇額外配備智能恒溫器和樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，節(jié)能效果會(huì)更好。

圖 5. ModusToolbox中的 XENSIV 連接傳感器套件軟件堆棧

其中一些用例（圖 5）已經(jīng)作為可部署的物聯(lián)網(wǎng)解決方案在 CSK 中實(shí)施。然而，英飛凌的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)已經(jīng)為新的用例實(shí)施做好了準(zhǔn)備：工程師可以簡(jiǎn)單地利用現(xiàn)有的代碼示例來探索無數(shù)未來應(yīng)用，這些應(yīng)用可為用戶帶來更多的舒適度和便利性，同時(shí)還更加環(huán)保。

結(jié)論

開發(fā)可靠的智能解決方案需要多個(gè)組件協(xié)同工作——這對(duì)工程師來說是一項(xiàng)真正的挑戰(zhàn)，尤其是考慮到大量可選擇的制造商，以及掌握每個(gè)組件所需的深度知識(shí)。無線和嵌入式系統(tǒng)的相互作用不容忽視，安全、云集成和能源管理也不容忽視。此外，必須收集、合并和處理環(huán)境數(shù)據(jù)，以控制互聯(lián)設(shè)備的行為和反應(yīng)方式。應(yīng)對(duì)所有這些挑戰(zhàn)非常耗時(shí)，而且需要大量專業(yè)知識(shí)。使用英飛凌的 XENSIV 連接傳感器套件可以加速物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開發(fā)：該套件不僅可以收集準(zhǔn)確、多樣的數(shù)據(jù)，還可以很好地利用態(tài)勢(shì)感知。

作者：Alessandra Fusco

英飛凌科技股份有限公司系統(tǒng)應(yīng)用工程師