智能家居市場趨勢、用戶界面和傳感要求

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用正在以非常快的速度增長，并且在過去幾年中一直在影響我們的生活。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的潛在范圍是無窮無盡的，智能家居仍然是消費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。對智能家居設(shè)備的需求呈指數(shù)級增長，預(yù)計到 2023 年我們將擁有超過 10 億臺設(shè)備。

智能家居是一個相對術(shù)語，因為對于某些人來說，它只是意味著為其他人使用智能揚聲器和智能恒溫器，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、相機和恒溫器已經(jīng)存在了很長時間，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)計的各個方面，并介紹了如何實現(xiàn)它們。

在這一部分中，我們將介紹一般智能家居市場趨勢、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的設(shè)備的連接和安全要求。

市場趨勢

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在將普通家庭轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芗揖?。人們享受通過集成網(wǎng)絡(luò)控制整個房屋的權(quán)力。我們生活在一個智能設(shè)備根據(jù)天氣狀況提醒我們攜帶雨傘的時代。對智能家居設(shè)備的需求呈指數(shù)級增長，預(yù)計到 2023 年我們將擁有超過 10 億臺設(shè)備。

智能家居設(shè)備

人類之所以繁榮了幾十萬年，是因為他們有一個內(nèi)在的品質(zhì)：人與人之間的互動。對于人類來說，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)備來實現(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)計獨特的解決方案。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)過證明和加密的應(yīng)用程序執(zhí)行、安全的無線 （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 和藍牙是云和本地連接最受歡迎的接口。

用于存儲、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，因為這是用戶和智能設(shè)備之間的第一個接觸點。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、遙控器、語音控制等。帶有內(nèi)置顯示屏的設(shè)備是最受歡迎的，因為用戶可以進行交互而無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），移動工業(yè)處理器接口（MIPI）等是一些趨勢顯示接口。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。

RGB接口在智能家居應(yīng)用的顯示接口中非常受歡迎，因為它可以以合理的色深和良好的刷新率驅(qū)動中型顯示器，同時具有成本效益。但是驅(qū)動RGB接口通常需要在MCU中實現(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，并且對于智能家居應(yīng)用來說往往矯枉過正。

在本文中，我們將解釋一種使用簡單的MCU外設(shè)（無需CPU干預(yù)）驅(qū)動這些顯示器的創(chuàng)新方法，從而為該問題提供一種經(jīng)濟高效的方法。在我們展示如何在沒有專用昂貴圖形IP的情況下使用MCU實現(xiàn)顯示控制器之前，讓我們花一些時間了解RGB接口。RGB 接口是一種并行接口，其中直接驅(qū)動顯示器的紅色、綠色和藍色像素。它需要 2 組稱為控制信號和像素數(shù)據(jù)的信號?？刂菩盘栍纱怪蓖?、水平同步、數(shù)據(jù)啟用和點時鐘組成。控制信號如下圖3所示。

如果我們仔細觀察這些信號，我們可以看到這些信號是以特定方式同步的PWM。決定像素顏色的像素數(shù)據(jù)必須與點鐘同步發(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，還需要一些邏輯來實現(xiàn)控制信號。圖 4 顯示了使用PSoC 6連接設(shè)備的一種此類實現(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交換PWM模塊的位置來獲得相同的結(jié)果。這一切都歸結(jié)為底層芯片提供什么和多少 IP。您可能還會注意到圖 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（以及最終控制信號之間的同步）是通過公共源時鐘和PWM的對齊來實現(xiàn)的。應(yīng)該注意的一個重要因素是，這種實現(xiàn)需要零CPU利用率來持續(xù)驅(qū)動顯示器。

現(xiàn)在硬件實現(xiàn)已經(jīng)準備就緒，我們需要適當(dāng)?shù)墓碳硗瓿蓤D形接口。有很多嵌入式圖形庫可以處理圖形操作;一個這樣的例子是emWin圖形庫。此庫只需要一個驅(qū)動程序即可與硬件通信。庫提供的 API 為用戶抽象出底層圖形硬件，大大簡化了 GUI 設(shè)計。

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，用戶無需任何學(xué)習(xí)或培訓(xùn)即可操作。對于許多原始設(shè)備制造商來說，僅此一項就是在智能設(shè)備中使用觸摸屏的主要驅(qū)動因素。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與底層接觸。這將關(guān)閉一個電路，提供接觸點。電阻式觸摸通常用于單點觸摸檢測。電容式觸摸的工作原理是檢測觸摸感應(yīng)層上的電容變化。電容式觸摸可以檢測多個觸摸點，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去。如今，問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單、經(jīng)濟高效的單點觸控解決方案到功能豐富的具有防水和懸停支持的多點觸控解決方案。

對于恒溫器或咖啡機等設(shè)備所需的簡單智能家居圖形用戶界面，首選更簡單、更具成本效益的實現(xiàn)?；蛘?，更復(fù)雜的GUI（例如運行成熟操作系統(tǒng)的智能家居中央控制器）需要功能豐富的實現(xiàn)，以使用戶能夠訪問所有可用功能。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，以簡化設(shè)計并降低系統(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。它為簡單的單點觸控解決方案提供CSD自電容方法，為多點觸控解決方案提供CSX互電容方法，以及兩者的動態(tài)組合，以提供具有防水性，接近性和懸停支持的多點觸摸解決方案。根據(jù)應(yīng)用的不同，抗噪性（信噪比）和防水性可能是一個重要的考慮因素。從軟件的角度來看，訪問直觀的工具也很重要。例如，CapSense配置器和中間件庫與ModusToolbox IDE相結(jié)合，極大地簡化了觸摸傳感的實施。

由于觸摸和圖形是相輔相成的，嵌入式圖形庫通常也具有用于處理觸摸的 API。用戶應(yīng)用程序應(yīng)通過觸摸庫獲取觸摸點的 x-y 坐標，然后將這些坐標傳遞給圖形庫以執(zhí)行預(yù)期的操作。圖形庫還提供了用于創(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有人機交互的情況下感知周圍環(huán)境。通過了解其周圍條件，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：

運動傳感器：用于家庭安全系統(tǒng)。如果在意外時間有動作，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)域的自動照明系統(tǒng)。

煙霧傳感器：用于自動滅火器。

土壤濕度傳感器：用于自動植物澆水系統(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數(shù)據(jù)，數(shù)字傳感器根據(jù)配置的范圍以數(shù)字計數(shù)的形式提供檢測數(shù)據(jù)。

要讀取模擬數(shù)據(jù)，您需要一個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，模擬信號在轉(zhuǎn)換前可能必須經(jīng)過一些預(yù)處理（如放大、濾波等）。如果運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)字數(shù)據(jù)通常通過串行通信總線發(fā)送出去。這不僅減輕了MCU端的處理負擔(dān)，而且可以更快地對數(shù)據(jù)進行采樣。數(shù)字傳感器的主要缺點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)該通過其外設(shè)的可配置性和可編程性來靈活地調(diào)整它們以滿足應(yīng)用的要求。

審核編輯：郭婷