智能家居接入物联网的关键技术

XJzy

[导读] 谈及高深莫测的物联网（IoT），最接地气的莫过于智能家居接入互联网。家用电器通过家庭网关连接宽带网，送入云端，进行信息交换和通信，可实现识别、定位、跟踪和远程管控。智能家居联网系统可包括嵌入式微控制器（MCU）、无线连接、软件平台和应用软件APP。本文介绍一套鲜活的家居联网解决方案，跨越概念化、落地难的门槛，走进现实，触手可及。

谈及高深莫测的物联网（IoT），最接地气的莫过于智能家居接入互联网。家用电器通过家庭网关连接宽带网，送入云端，进行信息交换和通信，可实现识别、定位、跟踪和远程管控。智能家居联网系统可包括嵌入式微控制器（MCU）、无线连接、软件平台和应用软件APP。本文介绍一套鲜活的家居联网解决方案，跨越概念化、落地难的门槛，走进现实，触手可及。

　　一． 系统组成

　　典型的应用场景中家居电器联网系统由微控制器、网关、受控物品和接入控制设备组成。孤立的物品（冰箱、空调、汽车、仪表等）接入网络世界，互相之间可以交流，形成智能网络。用户通过平板电脑或手机实现对受控物体信息采集分析和智能化管理，也可以上线进行远程操作。

　　

　　图一 智能家居联网系统图

　　从上图可看出，家庭自动化系统将嵌入式微控制器技术、无线连接、接入网络融合为一体。Apps软件能够使用户发现家里的设备，予以设置，或者创建一个动作加以控制。

　　远程管控让你不管走到哪儿，都不会与家里失联，随时随地“发现、管理、控制”。例如，旅游在外，你仍可监视住宅的安全环境和调节家舍的室内温度。

　　微控制器单芯片将无线连接功能包含在内，按照不同的无线连接协议分类，可构成WiFi，蓝牙（Bluetooth），Zigbee等系列。

　　二． 关键部件

　　微控制器是家居智能化的关键部件。MCU和Wi-Fi是最基本的两个元素。以Marvell MW300 Wi-Fi微控制器为例，它是内置全功能微控制器的单芯片SoC，支持802.11n Wi-Fi。

　　

　　图二 Wi-Fi微控制器单芯片SOC示意图

　　MW300 Wi-Fi微控制器单芯片解决方案的主要性能特点如下：

　　§ 内置全功能微控制器MCU + WLAN的单芯片SoC；

　　§ 支持802.11n Wi-Fi，无线频段2.4GHz；

　　§ 采用支持DSP和浮点运算的32位Cortex-M4 CPU，性能高达200MHz；

　　§ 3.3V输入电源，适用于各种基于电池供电的应用场景；

　　§ 极低的RBOM，仅需要一个晶体、一块QSPI闪存和单轨功率输入天线；

　　§ 支持全套I/O接口，包括SPI、I2C、UART、I2S、ADC/DAC、PWM，易于与传感器和起动器连接，减少了额外的组件和PCB面积；

　　§ 大容量SRAM以及支持USB视频（UVC）和USB音频（UAC）的高速USB2.0 OTG接口，对任何装置均支持音频和视频数据传送；

　　§ 实现了深度低功耗状态，同时降低了正常工作时的功耗；

　　§ 采用先进的40纳米半导体工艺，集成度高，体积小；

　　§ 适用温度范围为-40 - 85oC。

　　

　　图三 典型的MCU单芯片内部体系结构图

　　三． 软件特点

　　无线技术具有较高门槛，仅有IP还难以集成为成品。设备制造商需要在IoT应用上创新，并缩短设计周期快速推向市场。作为微控制器的提供商，有必要为应用集成商奉献设计工具和技术，支持ODM、OEM的生态系统。所以，软件开发工具也是不可或缺的部分。

　　软件平台应包括软件开发工具包（SDK）和应用编程接口（API），以帮助开发人员充分挖掘SoC解决方案中内置微控制器的潜力，从而令系统集成商易于整合，推出成熟稳定的系统，而且大大减少产品投放市场时间。

　　Marvell推出的EZ-Connect是生产就绪型软件，支持业界标准通信协议。EZ-Connect软件包括易用的软件开发工具包（SDK）和应用编程接口（API），能使集成商将精力和资源专注于为消费者及最终用户开发创新性服务和应用。

　　面向Wi-Fi微控制器的EZ-Connect软件具备以下功能：

　　§ 通过专有工具，实现对Wi-Fi 无头（Headless）设备简单快速的配置部署；

　　§ 与IoT云服务提供商的服务实现内置集成，全套中间件组件支持业界标准Web协议，包括HTTP、TLS/SSL、BSD Socket、Web-Socket、JSON以及XML语法分析程序，以实现与云服务的有效衔接；

　　§ 支持空中固件升级，仅通过编写几行代码，就可将该功能添加到任何应用上；

　　§ 灵活的通信模式可实现P2P应用、设备至设备通信、与移动客户端及云服务无缝集成；

　　§ 从WiFi到应用层具有多层安全机制，实现安全部署，防止损害用户隐私；

　　§ 经过场测验证，支持包括测试在内的产品制造所需程序，以使产品快速上市。

　　四．应用场景

　　不同的应用场景会选用不同的微控制器。常用的无线连接有三大类，以构成一个完整的平台。除了支持Wi-Fi 802.11n以外，还有支持双模蓝牙4.1和支持802.15.4/ZigBee的微控制器。

　　Wi-Fi微控制器应用场景最为普遍，主要适用于智能家居中冰箱、制冷空调等白色家电与家庭网络的长时间连接。

　　蓝牙（Bluetooth）连接模式适合在近距短时间情况下使用，例如装置之间的“互动”。蓝牙微控制器是支持双模蓝牙4.1、集成了微控制器和无线连接的单芯片SoC，实现经典蓝牙与智能蓝牙并存运行，内置语音功能支持高分辨率ADC以及与麦克风的直连。

　　ZigBee连接模式适用于大量的结点例如照明路灯构建网状网络。结点数可高达6万个。ZigBee微控制器是支持802.15.4/ZigBee、集成了微控制器和无线连接的单芯片SoC，易于与传感器、起动器以及其他组件连接，减少了外部组件和PCB面积。

　　五．产业服务

　　为了满足越来越多致力于实现智能化的企业需求，服务商和开发商携手合作相得益彰，推出一站式服务，引入开放式开发平台将家电产品与智能平台连接起来，在技术和应用上为企业提供Wi-Fi模块+云服务+APP的打包服务。从0到产品上线，构建一条完整的产业链，包括产品方案制定、模块集成、功能定义、联动测试、云服务搭建、上线发布等，这一过程无需技术人员参与，自主通过在线平台即可完成。

　　

　　图四 智能家居产业链

　　家电企业可以选择多个超级APP来控制设备实现跨品牌、跨门类产品的互通。场景化体验可让用户DIY不同场景，触发各种智能产品的管理和运行。

　　总之，智能家居联网是发展趋势。基于全方位的无线MCU硬件平台，搭配软件开发套件 （SDK），构成了全面完整又灵活易用的核心资源。ODM/OEM受益于厚积薄发的微控制器技术，在提高性能、降低功耗、减少用料的同时，借力开发平台，可轻松地推出创新的物联网产品，形成贴近生活的智能解决方案。