在本篇文章中，我們以智能鎖系統(tǒng)為例，講解如何將眾多物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)集成在一起，成為一個(gè)系統(tǒng)。對(duì)一個(gè)智能鎖來(lái)說(shuō)，需要考慮連接性、用戶界面、系統(tǒng)安全、系統(tǒng)處理和電機(jī)控制五個(gè)方面。

圖1：智能鎖的系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)方案

高端智能鎖內(nèi)部的嵌入式系統(tǒng)需要處理多重任務(wù)，包括顯示驅(qū)動(dòng)、觸摸感應(yīng)、指紋識(shí)別、接近探測(cè)感應(yīng)、電機(jī)控制、鎖狀態(tài)/破壞行為檢測(cè)、無(wú)線Wi-Fi和BLE連接，以及系統(tǒng)安全和處理。為了加快開(kāi)發(fā)速度，降低制造成本，設(shè)計(jì)人員正在嘗試采用SoC，在靈活且超低功耗的架構(gòu)中集成這些功能。此外，集成方法也便于OEM廠商緊跟持續(xù)變化的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出符合最新要求的產(chǎn)品。

下面逐一介紹集成型SoC內(nèi)嵌的各項(xiàng)功能。

連接性BLE：BLE用于智能鎖配置、重置和遠(yuǎn)程認(rèn)證。對(duì)于智能鎖來(lái)說(shuō)，BLE是一項(xiàng)必備功能。內(nèi)置BLE功能的單芯片SoC有助于顯著降低系統(tǒng)的成本、尺寸和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

WiFi：除了能夠與移動(dòng)電話或智能手表進(jìn)行通信以外，先進(jìn)的智能鎖也需要能夠與智能家居中的其他設(shè)備進(jìn)行通信。WiFi連接可提供一系列先進(jìn)功能，例如實(shí)時(shí)查看進(jìn)出日志，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)智能鎖進(jìn)行全方位控制等等。此外，考慮到物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的快速演進(jìn)，為了確保家中電器的功能與時(shí)俱進(jìn)，需要能夠?qū)崿F(xiàn)安全啟動(dòng)的無(wú)線（OTA）更新功能。

用戶界面顯示：高端智能鎖配備TFT或OLED顯示器。一般情況下，這類小型低成本顯示器使用并行RGB接口（也稱為Intel 8080接口）。與其他接口相比，RGB接口能以合理的刷新率驅(qū)動(dòng)顯示器。綜合使用PWM、DMA和可編程數(shù)字I/O（即“智能”I/O），無(wú)需使用更高成本的MCU（集成專用圖形硬件引擎），就能驅(qū)動(dòng)并行顯示器。

用戶輸入：密碼型門(mén)禁需要接受來(lái)自用戶的輸入。實(shí)體按鈕占據(jù)額外空間，影響智能鎖的使用壽命。因此，可以使用電容式感應(yīng)觸摸控制搭配顯示驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，提供一體化用戶界面。

系統(tǒng)安全

數(shù)據(jù)安全：由于用戶的指紋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在設(shè)備內(nèi)，因此安全性至關(guān)重要。面向智能鎖應(yīng)用而設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)需要提供安全存儲(chǔ)、安全運(yùn)行和安全通信功能，以保護(hù)上述敏感信息。以可靠、高性價(jià)比的方式確保安全性，不僅需要具備片上加密功能、集成安全無(wú)線連接，還要采用相關(guān)的機(jī)制，保障內(nèi)外部存儲(chǔ)器中個(gè)人數(shù)據(jù)的安全。

指紋感應(yīng)與接近檢測(cè)：作為密碼型門(mén)禁的替代方案，指紋認(rèn)證也能夠有效保障安全。然而，為檢測(cè)觸摸而不斷掃描指紋傳感器卻不利于節(jié)能。為了最大限度縮短掃描時(shí)間，可以通過(guò)電容式感應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)接近檢測(cè)，提高能效。具體而言，就是在指紋傳感器附近布設(shè)電容式接近傳感器，當(dāng)手指靠近指紋掃描板幾厘米時(shí)，啟動(dòng)檢測(cè)指紋。這使得系統(tǒng)在待機(jī)模式下能夠完全關(guān)閉指紋傳感器及相關(guān)電路。在接近傳感器檢測(cè)到手指時(shí)，系統(tǒng)有充足的時(shí)間為指紋傳感器加電，為檢測(cè)指紋做好準(zhǔn)備。

通過(guò)電感感應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械安全：電感傳感器可以探測(cè)到金屬的接近。這一功能可在多個(gè)場(chǎng)景下提供幫助。例如，檢測(cè)門(mén)栓是否安全到位，檢測(cè)任何試圖破壞智能鎖的行為，包括強(qiáng)力拆除滑蓋或造成鎖體變形等等。一旦電感傳感器檢測(cè)到破壞行為，就會(huì)向屋主發(fā)出警報(bào)或線上告警。

系統(tǒng)處理Arm Cortex-M4這樣的高能效CPU內(nèi)核負(fù)責(zé)完成所有處理工作，包括：

處理傳感器數(shù)據(jù)

通過(guò)SPI等接口管理與指紋模組的通信

完整的指紋處理，包括匹配算法和注冊(cè)算法

電容式感應(yīng)掃描與處理

系統(tǒng)管理，包括安全任務(wù)與傳感器控制

圖形顯示，包括繪制文本、圖像、形狀等

管理BLE鏈路層控制器、保持BLE連接和廣播、維護(hù)BLE主機(jī)層任務(wù)，包括各項(xiàng)服務(wù)、配置和連接認(rèn)證

電機(jī)控制

智能鎖遙控需要電機(jī)來(lái)移動(dòng)門(mén)栓。這項(xiàng)工作一般由BLDC電機(jī)和相關(guān)控制電路完成。通過(guò)使用可編程邏輯和模擬電路可將電機(jī)控制集成在SoC內(nèi)部，以減少元件數(shù)量，同時(shí)可獨(dú)立于CPU工作。

以上介紹了一個(gè)設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)例，我們發(fā)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要涉及技術(shù)包括模擬傳感器接口、連接性、可編程數(shù)字電路、集成外設(shè)以及系統(tǒng)成本優(yōu)化等方面，舉一反三，通過(guò)這些技術(shù)可以構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的大千世界。

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