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，成為一個系統(tǒng)。對一個智能鎖來說，需要考慮連接性、用戶界面、系統(tǒng)安全、系統(tǒng)處理和電機控制五個方面。

圖1：智能鎖的系統(tǒng)級實現(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、觸摸感應(yīng)、指紋識別、接近探測感應(yīng)、電機控制、鎖狀態(tài)/破壞行為檢測、無線Wi-Fi和BLE連接，以及系統(tǒng)安全和處理。為了加快開發(fā)速度，降低制造成本，設(shè)計人員正在嘗試采用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)嵌的各項功能。

連接性BLE：BLE用于智能鎖配置、重置和遠程認(rèn)證。對于智能鎖來說，BLE是一項必備功能。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)計復(fù)雜性。

WiFi：除了能夠與移動電話或智能手表進行通信以外，先進的智能鎖也需要能夠與智能家居中的其他設(shè)備進行通信。WiFi連接可提供一系列先進功能，例如實時查看進出日志，通過互聯(lián)網(wǎng)智能鎖進行全方位控制等等。此外，考慮到物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的快速演進，為了確保家中電器的功能與時俱進，需要能夠?qū)崿F(xiàn)安全啟動的無線（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)動顯示器。綜合使用PWM、DMA和可編程數(shù)字I/O（即“智能”I/O），無需使用更高成本的MCU（集成專用圖形硬件引擎），就能驅(qū)動并行顯示器。

用戶輸入：密碼型門禁需要接受來自用戶的輸入。實體按鈕占據(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)動的設(shè)計，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)計的嵌入式系統(tǒng)需要提供安全存儲、安全運行和安全通信功能，以保護上述敏感信息。以可靠、高性價比的方式確保安全性，不僅需要具備片上加密功能、集成安全無線連接，還要采用相關(guān)的機制，保障內(nèi)外部存儲器中個人數(shù)據(jù)的安全。

指紋感應(yīng)與接近檢測：作為密碼型門禁的替代方案，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間，可以通過電容式感應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)接近檢測，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，啟動檢測指紋。這使得系統(tǒng)在待機模式下能夠完全關(guān)閉指紋傳感器及相關(guān)電路。在接近傳感器檢測到手指時，系統(tǒng)有充足的時間為指紋傳感器加電，為檢測指紋做好準(zhǔn)備。

通過電感感應(yīng)實現(xiàn)機械安全：電感傳感器可以探測到金屬的接近。這一功能可在多個場景下提供幫助。例如，檢測門栓是否安全到位，檢測任何試圖破壞智能鎖的行為，包括強力拆除滑蓋或造成鎖體變形等等。一旦電感傳感器檢測到破壞行為，就會向屋主發(fā)出警報或線上告警。

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BLE主機層任務(wù)，包括各項服務(wù)、配置和連接認(rèn)證

電機控制

智能鎖遙控需要電機來移動門栓。這項工作一般由BLDC電機和相關(guān)控制電路完成。通過使用可編程邏輯和模擬電路可將電機控制集成在SoC內(nèi)部，以減少元件數(shù)量，同時可獨立于CPU工作。

以上介紹了一個設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實例，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，通過這些技術(shù)可以構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的大千世界。

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