從存在檢測(cè)到生命感應(yīng)：英飛凌解決物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)挑戰(zhàn)

引言

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(lái)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(huà)說(shuō)，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(guò)提供基于連接傳感器套件的可立即部署的解決方案來(lái)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(kāi)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(chēng)為連接到互聯(lián)網(wǎng)的“物”網(wǎng)絡(luò)?！拔铩笔桥鋫鋫鞲衅?、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(lái)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(lái)這一數(shù)字將穩(wěn)步增長(zhǎng)（圖1a）。物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施是智能家居市場(chǎng)增長(zhǎng)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）[1]。

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(lèi)型都將在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)巨大增長(zhǎng)

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(fǎng)問(wèn)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。

為了克服這些基本挑戰(zhàn)并進(jìn)一步加速開(kāi)發(fā)，英飛凌提供了一個(gè)專(zhuān)用的開(kāi)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(kāi)發(fā)。希望快速設(shè)計(jì)、部署物聯(lián)網(wǎng)解決方案的客戶(hù)可以訪(fǎng)問(wèn)英飛凌的一體化開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，其中包含全面?zhèn)鞲衅鲙?kù)以及傳感器和連接用例的應(yīng)用代碼示例。所有這些特性使客戶(hù)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(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的時(shí)間。

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。

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3）：

圖3. 英飛凌 XENSIV? 連接傳感器套件中的組件

3.1 感測(cè)

傳感器賦予物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備人類(lèi)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[2]。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。

3.2 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(zhuān)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(guò)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(kāi)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(shuō)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(guò)處理的應(yīng)用輸出的整個(gè)信號(hào)處理鏈。

3.3 連接

基于以上的理念，英飛凌開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用于LED驅(qū)動(dòng)電源的NFC控制芯片NLM0010和NLM0011，封裝是非常緊湊的SOT-23，5腳封裝，內(nèi)建了豐富的功能。既可以在出廠前設(shè)置，也可以在終端客戶(hù)安裝前根據(jù)不同的光源設(shè)置，極大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和使用。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(hù)端實(shí)現(xiàn)。MQTT 是物聯(lián)網(wǎng)中非常流行的開(kāi)源發(fā)布/訂閱通信協(xié)議，因?yàn)樗梢钥缙脚_(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?hù)端連接到配置的 MQTT 代理：客戶(hù)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(hù)無(wú)需為客戶(hù)端識(shí)別生成證書(shū)和密鑰；這塊由英飛凌負(fù)責(zé)幫您實(shí)現(xiàn)。

3.4 安全

安全性是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，因?yàn)橹挥性谇度胧较到y(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(kù)中受益，主機(jī)庫(kù)專(zhuān)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(lèi)目標(biāo)。照明、聲音、供暖、制冷、通風(fēng)和門(mén)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(hù)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(hù)與設(shè)備的交互會(huì)變得更加自然，因?yàn)橛脩?hù)無(wú)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(kāi)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(wú)需與用戶(hù)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(zhuān)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(wú)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(kāi)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(lèi)警告發(fā)送到自動(dòng)化系統(tǒng)，之后再通過(guò)調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)或自動(dòng)打開(kāi)窗戶(hù)來(lái)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(hù)處于范圍之內(nèi)才能激活。歐盟[3]約 50% 的能源消耗來(lái)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[4][5]。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4. XENSIV? 連接傳感器套件支持的創(chuàng)新用例示例

其中一些用例（圖4）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(kāi)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(lái)探索無(wú)數(shù)未來(lái)應(yīng)用，這些應(yīng)用可為用戶(hù)帶來(lái)更多的舒適度和便利性，同時(shí)還更加環(huán)保。

這兩個(gè)IC的使用非常簡(jiǎn)易，硬件電路主要涉及IC的輸出信號(hào)設(shè)計(jì)、Vcc的設(shè)計(jì)和天線(xiàn)設(shè)計(jì)。

結(jié)論

開(kāi)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(lái)說(shuō)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(wú)線(xiàn)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(zhuān)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(kāi)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。

Alessandra Fusco 高級(jí)工程師系統(tǒng)應(yīng)用

Alessandra Fusco 是一位經(jīng)驗(yàn)豐富的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，目前在慕尼黑英飛凌科技股份有限公司擔(dān)任物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)組的技術(shù)主管。她專(zhuān)門(mén)研究消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用的算法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，目前正在研究結(jié)合傳感器、邊緣分析和連接的創(chuàng)新型應(yīng)用解決方案，該方案適用于從使用超聲波的目標(biāo)跟蹤到使用雷達(dá)的生命感應(yīng)算法開(kāi)發(fā)等應(yīng)用。過(guò)去，Alessandra 的研究范圍涵蓋了從構(gòu)思到解決方案上市部署的整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

文獻(xiàn)

[1] Statista，家庭變得越來(lái)越智能。https://www.statista.com/chart/27324/households-with-smart-devices-global-iot-mmo/

[2] 有關(guān) KIT_CSK_BGT60TR13C https://www.infineon.com/cms/en/product/evaluation-boards/kit_csk_bgt60tr13c/和KIT_CSK_PASCO2https://www.infineon.com/cms/en/product/evaluation-boards/kit_csk_pasco2/的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱《用戶(hù)手冊(cè)》。

[3] 歐盟委員會(huì)，供暖和制冷。https://energy.ec.europa.eu/topics/energy-efficiency/heating-and-cooling_en

[4] 通過(guò)環(huán)境感測(cè)進(jìn)行占用檢測(cè)，Jin等人。2016

[5] 占用驅(qū)動(dòng)恒溫器對(duì)住宅樓宇的節(jié)能影響，Wang 等人。2020

信息框– ModusToolbox

英飛凌的ModusToolbox軟件是一個(gè)現(xiàn)代的、可擴(kuò)展的開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持廣泛的英飛凌微控制器器件。該軟件提供了一套靈活的工具，以及多樣化、高質(zhì)量的、以應(yīng)用為中心的軟件集合。其中包括配置工具、低級(jí)驅(qū)動(dòng)程序、庫(kù)和操作系統(tǒng)支持，其中大部分與 Linux、macOS 和 Windows 托管環(huán)境兼容。

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

圖5 總結(jié)了連接傳感器套件的整個(gè)ModusToolbox? 軟件堆棧，從板級(jí)支持包 (BSP) 到應(yīng)用層。