2020年12月21日 | 智能家居中的单片机选型与应用

物联网应用正在快速成长，并在过去几年中一直影响着我们的生活。物联网应用的潜在范围是无限的，而智能家居仍然是消费者中最受欢迎的物联网应用。我们的房屋日趋智能，对智能家居设备的需求呈指数增长，预测到2023年我们将拥有超过10亿台智能家居设备。

智能家居是一个相对的术语，对于某些人来说，它只是意味着将智能扬声器和智能恒温器，对于其他人，它可能包括智能灯泡，智能门禁锁或智能监控摄像头。这些家用设备（例如灯泡，照相机和恒温器）已经存在了很长时间，但是现在使它们变得更智能了，通过感知和适应性，直观的用户界面，与云的连接以及安全的执行环境是使它们变得智能的主要因素。本文介绍了此类智能家居设计的各个方面，并介绍了如何实现它们。

市场趋势

物联网技术正在将普通家居转变为智能家居，人们喜欢通过集成网络控制整个房屋的能力。预计对智能家居设备的需求呈指数增长，2023年我们将拥有超过10亿台相关设备。智能家居设备的趋势如下图所示（图1）。

来源-https://boosthigh.com/smart-home-trends-2019/

智能家居设备

人与人的互动繁荣发展了几十万年，对于人类来说，期望他们的设备和小工具表现出类人的行为就不足为奇了。小工具之间相互连接或与网络连接的能力使它们变得更加聪明。需要智能控制器/处理器和连接设备来实现这些智能家居设备所需的功能。需求是使用集成尽可能多功能的控制器，以最佳成本设计独特的解决方案。最重要的功能包括具有丰富图形用户界面的显示屏，可从用户和环境中获取输入的触摸和感应，交换数据和云处理的连接性，用于数据记录的安全执行环境，经过验证和加密的应用程序执行，无线安全（OTA）更新等，如图2所示。

图2：智能家居设备所需的关键功能

显示界面：具有丰富图形用户界面的显示。 MCU提供诸如RGB，Intel 8080，SPI，I2C等接口来驱动显示器。

触摸并感应以获取用户和环境的输入。需要具有集成触摸功能和灵活外设的MCU，以用于模拟和数字传感器接口。

处理能力：MCU需要具有像Cortex-M4这样的处理器内核，才能处理智能家居应用程序的大量处理需求。

连接性，可与家庭中的云和其他设备交换数据。 WiFi和蓝牙是用于云和本地连接的最受欢迎的接口。

用于存储，操作系统和通信的安全执行环境。

显示和图形

用户界面是最重要的功能之一，因为这是用户与智能设备之间的第一接触点。大多数智能设备提供了多种与用户进行交互的方法，包括内置显示器，智能手机，遥控器，语音控制等。具有内置显示器的设备最为流行，因为用户无需其他即可进行交互。额外的设备，从而节省成本。通常，内置的显示器具有触摸功能，并带有信息丰富的GUI，可让用户轻松使用该设备。

串行显示接口包括串行外围设备接口（SPI），内部集成电路（I2C），RGB，移动工业处理器接口（MIPI）等。每种类型在使用的引脚，带宽，显示尺寸和刷新率方面都有自己的优势。

RGB接口在智能家居应用的显示接口中非常受欢迎，因为它可以以合理的颜色深度和良好的刷新率驱动中型显示器，同时又具有成本效益。但是驱动RGB接口通常需要在MCU中集成专用的图形IP。通常，MCU不带有集成控制器。那些带有集成图形IP的MCU往往成本更高，并且对于智能家居应用而言通常过于浪费。

在本文中，我们将说明使用简单的MCU外设（无需CPU干预）驱动这些显示器的创新方法，从而为解决此问题提供一种经济高效的方法。在我们展示如何实现之前使用没有专用昂贵图形IP的MCU的播放控制器，让我们花一些时间来了解RGB接口。RGB接口是并行接口，其中直接驱动显示器的红色，绿色和蓝色像素。它需要2组信号，分别称为控制信号和像素数据。控制信号包括垂直同步，水平同步，数据使能和时钟。控制信号如下图3所示。

图3，RGB接口控制信号

如果我们仔细观察这些信号，就会发现这些信号是以特定方式同步的PWM。确定像素颜色的数据必须与时钟和数据使能同步发送到显示器。这可以使用DMA来完成。除PWM和DMA外，还需要一些逻辑来实现控制信号。下面的图4中使用PWM，DMA和Smart IO（用于逻辑功能）显示了一种使用PSoC 6连接设备的实现方式。

图4：RGB接口

通过更改PWM，几种方法均可获得相同的结果。一切都取决于底层芯片提供了多少个IP。您可能还会注意到图4中放置了逻辑与块。它可以由执行所需的与操作的任何硬件块代替（例如PSoC 6中的Smart-IO）。模块之间的同步（最终是控制信号之间的同步）是通过公共时钟源和PWM对齐实现的。应该注意的一个重要因素是，此实现需要零CPU利用率来连续驱动显示器。

现在硬件实现已经准备就绪，我们需要适当的固件来完成图形界面。有很多嵌入式图形库可以处理图形操作。 emWin图形库就是这样的例子。该库仅需要一个驱动程序即可与硬件进行通信。该库提供的API为用户抽象了基础图形硬件，从而大大简化了GUI设计。

触摸屏

触摸屏已经完全改变了我们与设备交互的方式。它们非常直观，方便用户无需任何学习或培训即可进行操作。对于许多OEM而言，这仅仅是在智能设备中使用触摸屏的主要驱动因素。目前两种最受欢迎的触摸屏是电阻式和电容式。

电阻式触摸的工作原理是使触摸时顶层与底层接触。这样就闭合了电路，提供了接触点。电阻式触摸通常用于单点触摸检测。电容式触摸通过检测触摸感应层上的电容变化来起作用。与电阻式触摸相比，电容式触摸可以检测多个触摸点，并且所需的物理力较小。电容触摸屏是智能家居应用中最常用的触摸屏。多个MCU提供了与电容式触摸面板/屏幕（即PSoC 6 MCU中的CapSense外设）交互的集成解决方案。

智能家居中的触摸感应

电容触摸技术相对电阻式触摸，在易用性，耐用性和响应能力等方面都具有优势。如今，问题不在于选择电阻式或电容式触摸屏，而在于在给定要求的应用中使用哪种级别的电容式触摸解决方案。电容式触摸屏解决方案范围从简单，经济高效的单点触摸解决方案到具有防水功能和悬停功能的功能丰富的多点触摸解决方案。

对于诸如恒温器或咖啡机之类的设备所需的简单智能家居用户界面，首选更简单，经济高效的实现方式。对于更复杂的GUI（例如运行全功能操作系统的智能家居中央控制单元）需要功能丰富的实现，才能使用户访问所有可用功能。最后，这是成本与触摸屏提供的功能之间的权衡。

许多OEM提供具有集成电容式感应功能的MCU，以简化设计并降低系统成本。例如，PSoC 6 MCU系列提供了智能家居应用所需的全部电容式触摸解决方案。它提供用于简单单点触摸解决方案的CSD自电容方法，用于多点触摸解决方案的CSX互电容方法，以及两者的动态组合，以提供具有防水，接近和悬停支持的多点触摸解决方案。取决于应用，抗噪声（信噪比）和防水性是重要的考虑因素。从软件的角度来看，访问直观工具也很重要。例如，CapSense配置器和中间件库与ModusToolbox IDE相结合，极大地简化了触摸感应设计。

随着触摸和图形技术的发展，嵌入式图形库通常也具有用于处理触摸的API。用户应用程序应获取的x-y坐标触摸点通过触摸库，然后将这些坐标传递到图形库以执行预期的操作。图形库还提供了用于创建智能家居设备所需的UI工具。

另外，接近感测被广泛用于将设备从低功耗模式中唤醒。这样可确保在不使用设备时关闭显示和触摸处理。电容式触摸处理通常也将能够使用相同的传感器处理接近度。

环境传感器

使智能家居设备取得成功的因素之一是无需人机交互即可感知周围环境的能力。通过了解设备的周围环境，设备可以使算法做出解释并为用户提供合适的选项。一些广泛使用的传感器及其应用包括：

运动传感器：用于家庭安全系统。如果在非预期时间有动静，则通知所有者。

温度传感器：用于恒温器和闭环温度控制系统。

环境光传感器：用于花园和其他感兴趣区域的自动照明系统。

烟雾传感器：用于自动灭火器。

土壤水分和湿度传感器：用于植物自动浇水系统；智能园艺。

传感器提供数据，真正执行处理的是MCU。传感器可大致分为模拟和数字传感器。模拟传感器以模拟电压/电流形式提供感测数据，数字传感器根据配置范围以数字计数形式提供感测数据。

要读取模拟数据，您需要一个ADC（模数转换器）。大多数MCU（如PSoC 6）都提供集成ADC，以在内部执行此模数转换。有时，模拟信号在转换前可能必须经过一些预处理（例如放大，滤波等）。如果像运算放大器这样的可编程外设是MCU本身的一部分，则预处理也可以在内部进行处理。

许多传感器具有额外的电路，可处理模拟数据并以数字方式输出。该数字数据通常通过串行通信总线发送出去。这不仅减轻了MCU端的处理负担，而且可以更快地采样数据。数字传感器的主要缺点是由于其额外的电路，其成本较高。

综上所述，如果您担心设计成本和面积，选择能够高效处理模拟数据的MCU更具成本效益。 MCU还应通过其外设的可配置性和可编程性来灵活地进行调整，以使其适应应用程序的要求。

本文作者：

Jaya Kathuria Bindra，赛普拉斯高级应用经理，在该公司她负责使用PSoC和WiFi / BT平台管理嵌入式应用程序组和解决方案开发。她在半导体行业拥有15年以上的经验。她从班加罗尔IIM获得了MBA证书，并在Kurukshetra大学获得了电子工程学士学位。

Yeshwanth KT，赛普拉斯应用工程师。他使用赛普拉斯的PSoC平台从事嵌入式应用程序开发。他在嵌入式系统和解决方案开发方面拥有2年以上的经验。他拥有SJCE Mysuru的电子和通信工程学士学位。

Meenakshi Sundaram，赛普拉斯首席应用工程师。他使用赛普拉斯的PSoC平台从事蓝牙低功耗和片上系统解决方案开发工作。他在嵌入式系统和解决方案开发方面拥有9年以上的经验。他拥有安娜大学电子与通信工程学士学位。