大量的研究表明，智能家居和可穿戴設(shè)備是目前最流行的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。嵌入式的MCU是這些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的核心。 然而，為了在這個(gè)快速而有競(jìng)爭(zhēng)力的市場(chǎng)上成為一個(gè)有效的基礎(chǔ)，嵌入式的MCU需要能夠支持不斷增長(zhǎng)的創(chuàng)新速度。為了加快開(kāi)發(fā)速度和降低制造成本，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)師們正在尋找單片機(jī)的MCU，這種單片機(jī)集成了安全性、 I／O功能以及與超低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無(wú)線連接，以及一個(gè)靈活的架構(gòu)，以便使設(shè)計(jì)與不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)保持最新的設(shè)計(jì)。

本文將介紹物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的趨勢(shì)以及智能家居和可穿戴應(yīng)用的相關(guān)性，然后舉例說(shuō)明智能門鎖控制器的實(shí)現(xiàn)，將討論可穿戴應(yīng)用程序以及實(shí)現(xiàn)，并說(shuō)明如何利用可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)與智能家庭網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使工作和生活變得更加實(shí)惠、便捷、舒適和智能。正如物聯(lián)網(wǎng)分析的一項(xiàng)研究顯示，智能家居和可穿戴設(shè)備是人們尋找的最流行的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序（見(jiàn)圖1）。

圖1 ｜ 物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)趨勢(shì)

智能家居的概念包括設(shè)備在家中的互動(dòng)和用戶有限參與。例如，早上6點(diǎn)，鬧鐘會(huì)以最喜歡的播放列表中的音樂(lè)聲吵醒你。 與此同時(shí)，臥室的燈光慢慢亮起，讓你在自己的時(shí)間里醒來(lái)。當(dāng)樓下的入侵警報(bào)系統(tǒng)被關(guān)閉時(shí)，廚房里的咖啡機(jī)就會(huì)打開(kāi)，所以當(dāng)你準(zhǔn)備享用的時(shí)候它已經(jīng)準(zhǔn)備好了?？蛷d的窗簾和百葉窗開(kāi)著，浴室里的毛巾加熱器溫暖了毛巾，你甚至還沒(méi)起床呢。 這真是一個(gè)智能的家。

這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的核心是安全性、可靠性、成本效益和無(wú)線連接。 安全保證敏感的個(gè)人信息保持私密，并且保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)免受惡意黑客的侵害?？煽啃詫?duì)于系統(tǒng)的無(wú)縫、無(wú)誤控制至關(guān)重要。 連通性使無(wú)線信息交換成為能夠進(jìn)行高級(jí)分析的互聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)可以自學(xué)提供更加個(gè)性化的服務(wù)。 通過(guò)額外的數(shù)據(jù)，如上下文（即誰(shuí)進(jìn)入了房子）可以用來(lái)提高智力。例如，房間設(shè)置可以調(diào)整，以配合一個(gè)人進(jìn)入家庭時(shí)的喜好。語(yǔ)音命令功能使得電器更容易使用，比如告訴前門為朋友和家人解鎖。最后，該系統(tǒng)需要降低成本，使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠負(fù)擔(dān)得起大眾市場(chǎng)的采用。 圖2展示了一個(gè)智能家居的例子。

圖2 ｜ 智能家居示例

智能門鎖控制器實(shí)現(xiàn)

為了了解開(kāi)發(fā)基于IoT應(yīng)用程序的復(fù)雜性，來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能的家庭門鎖控制器（見(jiàn)圖3）。該控制器實(shí)現(xiàn)門運(yùn)行的指紋安全性； 兩個(gè)控制室內(nèi)燈光、恒溫器和電器的房間控制節(jié)點(diǎn)； 溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)； 以及對(duì)所有這些節(jié)點(diǎn)的安全網(wǎng)絡(luò)（基于BLE 4．2）。要實(shí)現(xiàn)所有這些功能，需要進(jìn)行大量的處理。今天的許多嵌入式單片機(jī)，包括本示例中使用的PSoC 6 BLE，在滿足低功耗操作要求的同時(shí)提供了足夠的處理性能。就 PSoC 6 BLE 而言，這是通過(guò)雙核體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的： Arm Cortex－M4可用于高性能任務(wù)，而 Arm Cortex－M0 ＋ 處理低功耗任務(wù)。綜合的安全能力維護(hù)總控制器的安全性。

圖3 ｜ 基于嵌入式單片機(jī)的智能家居示例

基于指紋的門鎖

安全是必要的，以確保未經(jīng)授權(quán)的人無(wú)法通過(guò)房門進(jìn)入住宅。 一個(gè)安全的系統(tǒng)可以使用指紋驗(yàn)證來(lái)建立。 設(shè)計(jì)一個(gè)門鎖，存儲(chǔ)授權(quán)用戶的指紋，可以防止未經(jīng)授權(quán)的人進(jìn)門。 對(duì)于這個(gè)應(yīng)用程序，指紋傳感器感知人的手指，嵌入式控制器對(duì)該人進(jìn)行認(rèn)證，然后門鎖被關(guān)閉。 更先進(jìn)的功能也可以實(shí)現(xiàn)，如果未經(jīng)授權(quán)的人試圖進(jìn)入住宅，可以觸發(fā)警報(bào)或發(fā)送通知給房屋所有者。

一個(gè)基于指紋的典型認(rèn)證系統(tǒng)包括一個(gè)指紋傳感器／模塊，該指紋傳感器和處理器運(yùn)行各種高級(jí)算法，如用戶注冊(cè)和身份驗(yàn)證。嵌入式MCU的高性能核心可以執(zhí)行這些功能，并通過(guò) SPI等接口管理與指紋模塊的通信。指紋技術(shù)相當(dāng)成熟，指紋模塊可以從MCU制造商那里獲得，該模塊提供了一個(gè)通過(guò)模塊捕捉和驗(yàn)證指紋的整個(gè)軟件框架。 例如，指紋框架負(fù)責(zé)向指紋模塊生成低級(jí)指令，并提供可以調(diào)用的封裝函數(shù)，以執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，例如＂獲取指紋圖像＂或＂注冊(cè)指紋圖像＂ 與模塊的SPI通信遵循一種基于中斷的方法，即主機(jī)發(fā)送一個(gè)命令并等待模塊處理命令。該模塊的響應(yīng)方式是生成一個(gè)中斷，在這個(gè)中斷中，主機(jī)將讀取由模塊準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)。該模塊還可以配置為中斷處理器的手指觸摸傳感器。 這使得處理器能夠在低功耗狀態(tài)下運(yùn)行，同時(shí)等待模塊在手指觸摸時(shí)喚醒它。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

指紋數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在內(nèi)部Flash中。 然而，由于每個(gè)指紋圖像的大小和指紋的數(shù)量控制器可能需要支持在一般的家庭人數(shù)，F(xiàn)lash的成本將會(huì)增加。由于內(nèi)部 Flash 是一種高級(jí)資源，特別是當(dāng)設(shè)計(jì)復(fù)雜的應(yīng)用程序如智能家庭控制器時(shí)，將指紋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器卸載到外部存儲(chǔ)，這通常是這個(gè)用例更好的方法。

外部存儲(chǔ)通過(guò)一個(gè)類似quad－SPI的接口進(jìn)行交互，提供了一種存儲(chǔ)指紋數(shù)據(jù)的有效方法。 支持XIP （eXecute－In－Place）模式的 Quad－SPI 接口允許CPU將外部存儲(chǔ)視為內(nèi)部 Flash的一部分。這使得外部存儲(chǔ)的訪問(wèn)類似于內(nèi)部的Flash訪問(wèn)，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和操作。 此外，quad－SPI接口支持硬件中的即時(shí)軟件加密和解密（128位 AES） ，確保指紋數(shù)據(jù)安全地存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)中。

網(wǎng)絡(luò)連接

為了將門鎖控制器集成到一個(gè)智能家庭網(wǎng)絡(luò)中，使用了BLE。不僅將門鎖控制器與智能家居網(wǎng)絡(luò)相連接，而且提供了一種安全的指紋編碼方式。 這是通過(guò)將門鎖控制器與授權(quán)手機(jī)配對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 除了為用戶提供配置門鎖的接口外，還允許用戶控制注冊(cè)過(guò)程（見(jiàn)圖4）。

圖4 ｜ 智能門鎖的安全方案工作流

房間控制和監(jiān)控

房間控制節(jié)點(diǎn)允許用戶控制室內(nèi)的照明、恒溫器和其他設(shè)備。它們還可以監(jiān)測(cè)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)。 這些節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)智能手機(jī)和／或本地控件來(lái)控制。 例如，圖3所示的系統(tǒng)包括兩個(gè)光控制節(jié)點(diǎn)和一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。 此外，光控節(jié)點(diǎn)支持基于用戶識(shí)別的智能控制。例如，當(dāng)使用經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證的指紋打開(kāi)房門時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以配置為打開(kāi)燈。 同樣，當(dāng)有人離開(kāi)時(shí)，門是鎖著的時(shí)候，燈可以關(guān)掉（見(jiàn)圖5）。

圖5 ｜ 室內(nèi)控制實(shí)現(xiàn)示例

建立安全網(wǎng)絡(luò)

在通過(guò)智能手機(jī)進(jìn)行配置和初始化之后，節(jié)點(diǎn)使用BLE安全連接建立基于集群的網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)集群的中心節(jié)點(diǎn)都支持一個(gè)獨(dú)特的16位標(biāo)記。在節(jié)點(diǎn)配置過(guò)程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都提供其集群中心節(jié)點(diǎn)的令牌和詳細(xì)信息。這些節(jié)點(diǎn)將群集中心添加到一個(gè)白名單中，并僅根據(jù)請(qǐng)求將標(biāo)記發(fā)送給被白名單的集群中心，以建立連接。 一旦連接建立起來(lái)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)通知向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，中心節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，然后在網(wǎng)絡(luò)上分發(fā)。 數(shù)據(jù)包可以傳遞給另一個(gè)節(jié)點(diǎn)或廣播包。 例如，當(dāng)用戶解鎖門時(shí)，這個(gè)信息（即用戶1已經(jīng)進(jìn)入了房子）可以從門鎖節(jié)點(diǎn)發(fā)送到其集群的中心節(jié)點(diǎn)。 然后數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)發(fā)到房間控制節(jié)點(diǎn)，最后，房間控制節(jié)點(diǎn)打開(kāi)燈。

圖6 ｜ 房間節(jié)點(diǎn)控制示例流

基于集群的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)啟用選擇設(shè)備（集群中心節(jié)點(diǎn)）來(lái)處理路由和附加處理，從而消除了通過(guò)所有節(jié)點(diǎn)路由數(shù)據(jù)包的需要。這節(jié)省了從節(jié)點(diǎn)的能量和對(duì)處理能力要求，其中許多節(jié)點(diǎn)可能在電池上運(yùn)行。 可以根據(jù)所掌握的功力選擇中心節(jié)點(diǎn)。 該網(wǎng)絡(luò)類似于低功耗無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（6LoWPAN）上的IPv6，其中路由器（中心節(jié)點(diǎn)）和主機(jī)（邊緣節(jié)點(diǎn)）。 擁有基于集群的網(wǎng)絡(luò)還可以簡(jiǎn)化通過(guò)網(wǎng)關(guān)（邊緣路由器）訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的途徑，如果需要的話，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)。

圖7 ｜ 互聯(lián)網(wǎng)對(duì)房間節(jié)點(diǎn)的控制示例

智能家用電器可能相當(dāng)復(fù)雜。以可靠和符合成本效益的方式提供安全所需要的芯片加密能力、集成的安全無(wú)線連接以及在內(nèi)部和外部存儲(chǔ)中獲取個(gè)人數(shù)據(jù)（即捕獲的指紋）的機(jī)制。 由于物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)正在迅速變化，因此需要安全啟動(dòng)過(guò)程來(lái)保證電器的更新特性。 此外，固件可配置外設(shè)和可編程模塊的可用性確保了設(shè)備可以集成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行所需的許多組件。

對(duì)于許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，電是至關(guān)重要的，尤其是那些使用電池的設(shè)備。低功耗設(shè)計(jì)允許設(shè)備始終保持并提供即時(shí)響應(yīng)。具有動(dòng)態(tài)電壓和主頻縮放的雙核體系結(jié)構(gòu)允許電器支持高性能的功能，如指紋認(rèn)證和功率敏感的關(guān)鍵過(guò)程，如尾跡觸摸。

可穿戴應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)

智能手表不再只是為了顯示時(shí)間。智能手表通過(guò)發(fā)送短信、電話和健康監(jiān)控手段將我們的手腕變成了智能手機(jī)套件?？纱┐髟O(shè)備是用戶＂幾乎總是＂佩戴的無(wú)線設(shè)備。例如，健身監(jiān)測(cè)器是一種可穿戴設(shè)備，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)心率、鍛煉、睡眠習(xí)慣、體溫、出汗等參數(shù)來(lái)跟蹤人的健康狀況。這些設(shè)備有多個(gè)傳感器，通常像智能手機(jī)或個(gè)人電腦一樣可以與互聯(lián)網(wǎng)連接的設(shè)備進(jìn)行通信。 這些設(shè)備有三個(gè)主要特征：

始終運(yùn)行： 因?yàn)榻∩肀O(jiān)視器是持續(xù)運(yùn)行的，所以這些設(shè)備需要長(zhǎng)時(shí)間的電池壽命。當(dāng)設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備時(shí)，最大的挑戰(zhàn)之一就是他們對(duì)電力的渴求，而且他們所能容納的電池尺寸往往有限。 監(jiān)控活動(dòng)： 一個(gè)健身器械監(jiān)測(cè)感官、過(guò)程、日志和報(bào)告用戶活動(dòng)。這包括監(jiān)測(cè)多個(gè)傳感器和執(zhí)行＂傳感器融合＂，其中多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)類似DSP的引擎相互關(guān)聯(lián)，以分析更復(fù)雜的行為，并以用戶可以理解和使用的方式跟蹤它們。 交換數(shù)據(jù)： 這包括將收集和分析的信息傳遞給其他設(shè)備的能力，例如向智能手機(jī)發(fā)送通知和告警。

圖8： 可穿戴設(shè)備的特征

圖9： 使用嵌入式MCU的可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)

活動(dòng)監(jiān)測(cè)

計(jì)步器和卡路里計(jì)數(shù)器計(jì)算一個(gè)人行走的步數(shù)，并計(jì)算出燃燒的卡路里數(shù)量。為了檢測(cè)步數(shù)，需要一個(gè)加速度傳感器。壓力傳感器也用來(lái)測(cè)量步行／跑步時(shí)海拔的變化。大多數(shù)傳感器都有一個(gè)數(shù)字接口，通常是I2C，SPI或UART。需要對(duì)已獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行額外的過(guò)濾和處理，以計(jì)算步數(shù)、高度、燃燒的卡路里等等。這些傳感器也用于實(shí)現(xiàn)低功耗的系統(tǒng)功能，比如在檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)喚醒整個(gè)系統(tǒng)，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。為了支持多傳感器，嵌入式MCU將需要幾個(gè)數(shù)字接口。理想情況下，這些接口可以在I2C、SPI和UART之間進(jìn)行配置，以使開(kāi)發(fā)人員在傳感器選擇和實(shí)現(xiàn)方面擁有最大的靈活性。此外，嵌入式單片機(jī)需要支持一個(gè)雙核體系結(jié)構(gòu)，它具有一個(gè)能夠執(zhí)行傳感器融合和復(fù)雜分析的單片機(jī)，以及一個(gè)低功耗的單片機(jī)來(lái)執(zhí)行系統(tǒng)任務(wù)，如在運(yùn)動(dòng)中喚醒。

環(huán)境監(jiān)測(cè)

傳感器也可能需要收集環(huán)境數(shù)據(jù)，例如紫外線照射量、環(huán)境溫度、大氣壓力、指南針?lè)较虻取?/p>

GPS

全球定位系統(tǒng)傳感器通常是帶有UART接口的數(shù)字傳感器。 GPS傳感器提供位置（經(jīng)緯度）、速度和高度信息。

音頻

在無(wú)線鏈路傳輸音頻數(shù)據(jù)之前，數(shù)字域的音頻信號(hào)處理是任何音頻系統(tǒng)的重要組成部分。 數(shù)據(jù)通常采用基于麥克風(fēng)來(lái)收集數(shù)據(jù)，然后測(cè)量、過(guò)濾和／或壓縮。 具有集成DSP功能和音頻功能的嵌入式單片機(jī)，可以大大簡(jiǎn)化高質(zhì)量、不間斷的聲音音頻子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

安全性

可穿戴設(shè)備需要能夠跟上不斷變化的安全協(xié)議和措施。帶有安全引導(dǎo)功能的嵌入式單片機(jī)確?？纱┐髟O(shè)備只執(zhí)行經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證的代碼。此外，設(shè)備可以支持在線 OTA （OTA）更新，使更新對(duì)用戶是透明的。

用戶界面

今天的用戶已經(jīng)習(xí)慣于使用按鈕、滑塊和近距離感應(yīng)來(lái)觸摸顯示器。一個(gè)嵌入式的單片機(jī)也可以支持不同的輸出類型，可以支持各種顯示技術(shù)，如 Eink，OLED等。

無(wú)線連接

設(shè)備需要支持可穿戴設(shè)備操作的必要服務(wù)——無(wú)線連接，例如與低耗電藍(lán)牙的連接。

支持所有這些功能需要一個(gè)完整的固件流（見(jiàn)圖10）。支持可穿戴應(yīng)用的制造商可以提供完整的庫(kù)，可以加速開(kāi)發(fā)和降低整體設(shè)計(jì)的成本。

圖10 可穿戴設(shè)備的固件流示例

任務(wù)架構(gòu)

在任何可穿戴設(shè)計(jì)中，有三個(gè)關(guān)鍵任務(wù)：

獲取數(shù)據(jù)

處理數(shù)據(jù)

與用戶的輸入和輸出（顯示）進(jìn)行通信

傳感器采集通常需要比其他任務(wù)更高的處理器操作頻率，因?yàn)檫@種處理包括在大樣本基礎(chǔ)上運(yùn)行的過(guò)濾器。因此，使用像Arm Cortex－M0 ＋ 這樣的低功耗核心來(lái)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的獲取效率更高。處理傳感器數(shù)據(jù)取決于所使用的算法的復(fù)雜性，開(kāi)發(fā)人員必須在功率效率和處理速度之間權(quán)衡。 對(duì)于光處理，可以使用用于獲取傳感器數(shù)據(jù)的相同低功耗核心。然而，對(duì)于更多的實(shí)時(shí)操作，需要更高性能的處理器，如ARM Cortex M3／M4核心。 用戶界面，通常是一個(gè)輕量級(jí)的過(guò)程，當(dāng)涉及到簡(jiǎn)單的可穿戴顯示和輸入時(shí)，可以由任何一個(gè)核心處理，但理想的是在低功耗核心上實(shí)現(xiàn)。因此，為了在低功耗的可穿戴設(shè)備中實(shí)現(xiàn)最佳性能，需要一個(gè)雙核結(jié)構(gòu)。需要注意的是，可以利用雙核架構(gòu)來(lái)做固件框架管道化，通過(guò)加速任務(wù)完成來(lái)提高響應(yīng)性能，并通過(guò)在核心之間共享時(shí)鐘、RAM、Flash等資源，減少資源和功耗。

低功耗處理器，如Cortex M0 ＋，運(yùn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)調(diào)度器來(lái)處理頻繁的、低帶寬的任務(wù)，比如：

傳感器數(shù)據(jù)采集

電容式感應(yīng)掃描及處理

BLE鏈路層控制器維護(hù)BLE的連接和通告

系統(tǒng)管理，包括安全任務(wù)和傳感器控制

高性能處理器，如 Cortex M4，作為運(yùn)行 RTOS 的應(yīng)用程序處理器，并處理處理器密集的應(yīng)用程序級(jí)任務(wù)，如： 傳感器數(shù)據(jù)處理（如定向計(jì)算、高度計(jì)算等） 顯示圖形，如繪制文字、圖像、形狀等 完整的指紋處理，包括匹配和注冊(cè)算法 主機(jī)層任務(wù)，包括所有服務(wù)、配置文件和連接身份驗(yàn)證

在共享內(nèi)存和快速的處理器間通信（IPC）是核心之間的橋梁，通信延遲幾乎不存在，相比之下，兩個(gè)設(shè)備在外部進(jìn)行通信幾乎是不可比的。

低功耗核心任務(wù)架構(gòu)

在高級(jí)別上，低功耗核心執(zhí)行兩種類型的任務(wù)： 第1級(jí)： 在每個(gè)周期執(zhí)行的周期性任務(wù)和二級(jí)任務(wù)： 周期性時(shí)間檔任務(wù)，但在每個(gè)循環(huán)中執(zhí)行一次（任務(wù)／周期的n個(gè)周期）。 一個(gè)計(jì)時(shí)器可以用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)中斷來(lái)表示一個(gè)周期的開(kāi)始，比如每10毫秒（100hz）。 1級(jí)任務(wù)在中斷事件中執(zhí)行一次。時(shí)隙變量可以在每個(gè)中斷時(shí)遞增，并傳遞給二級(jí)任務(wù)管理器。根據(jù)插槽編號(hào)，執(zhí)行適當(dāng)?shù)亩?jí)任務(wù)。表1提供了可在低功耗核心中執(zhí)行的各種任務(wù)的例子。

任務(wù)類型BLE控制器Level 1電容式感應(yīng)掃描和手勢(shì)檢測(cè)Level 1獲取和處理GPSLevel 1壓力 ／ 溫度數(shù)據(jù)的獲取Level 2紫外線數(shù)據(jù)的獲取Level 2電池?cái)?shù)據(jù)采集Level 2

在完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)或任何需要通過(guò)高性能核心運(yùn)行的任務(wù)（如已經(jīng)檢測(cè)到一個(gè)手勢(shì)） ，就會(huì)形成一個(gè)消息包，并通過(guò)IPC發(fā)送到高性能核心。對(duì)高性能核心發(fā)出中斷，處理消息包，并將數(shù)據(jù)適當(dāng)傳遞給在高性能核心上執(zhí)行的預(yù)期任務(wù)。

高性能核心任務(wù)架構(gòu)

高性能核心使用一個(gè)RTOS來(lái)管理諸如BLE、運(yùn)動(dòng)感應(yīng)、顯示更新、GPS、壓力／溫度、紫外線和指紋檢測(cè)等任務(wù)。 除了BLE、運(yùn)動(dòng)感應(yīng)和指紋檢測(cè)外，其他任務(wù)都需要等待來(lái)自低功耗核心的數(shù)據(jù)。

可以周期性地運(yùn)行 BLE 任務(wù)（每次連接間隔一次）。 完成后，任務(wù)暫停，直到下一次喚醒。

運(yùn)動(dòng)感應(yīng)任務(wù)可以是一個(gè)非周期性的任務(wù)，只要運(yùn)動(dòng)傳感器本身提出一個(gè)中斷，它就會(huì)運(yùn)行。 像 Invensense MPU9255這樣的運(yùn)動(dòng)傳感器包括一個(gè)數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（DMP），它收集芯片上的FIFO數(shù)據(jù)，并以預(yù)先配置的速率中斷高性能核心。 在中斷時(shí)，運(yùn)動(dòng)傳感器任務(wù)通過(guò)SPI接口讀取運(yùn)動(dòng)傳感器中的FIFO，并處理數(shù)據(jù)以計(jì)算方向，步驟，卡路里燃燒等等。

指紋檢測(cè)任務(wù)可以是一個(gè)非周期性的任務(wù)，當(dāng)用戶在滾動(dòng)、驗(yàn)證或者刪除指紋時(shí)都會(huì)運(yùn)行。當(dāng)用戶指紋被注冊(cè)并且顯示被鎖定時(shí)，這個(gè)任務(wù)也會(huì)運(yùn)行。一個(gè)注冊(cè)用戶的指紋可以用來(lái)解鎖和保護(hù)可穿戴設(shè)備。

顯示任務(wù)也可以是一個(gè)非周期性的任務(wù)，只要數(shù)據(jù)需要在屏幕上進(jìn)行更新（即傳感器數(shù)據(jù)、時(shí)間、電池和來(lái)自其他任務(wù)的 BLE 通知） ，或者如果一個(gè)電容式感應(yīng)的手勢(shì)事件是從低功耗核心報(bào)告的。

GPS、壓力／溫度和紫外線任務(wù)可以是偽周期任務(wù)，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)周期性地停止和喚醒。相反，在從各自的傳感器收集數(shù)據(jù)之后，任務(wù)喚醒是從低功耗核心觸發(fā)的。由于低功耗核心的數(shù)據(jù)采集速率是周期性的，所以這些任務(wù)可以在高性能核心上定期執(zhí)行。

表2顯示了高性能核心管理的任務(wù)示例。

任務(wù)優(yōu)先級(jí)堆棧BLE9500運(yùn)動(dòng)傳感器8500顯示6500壓力傳感器8200GPS傳感器8100指紋傳感器75000

處理器間通信架構(gòu)

兩個(gè)同時(shí)運(yùn)行的核心需要一個(gè)保護(hù)共享數(shù)據(jù)和通信的機(jī)制，以便同步固件中的任務(wù)。 雙核體系結(jié)構(gòu)需要支持多個(gè)IPC機(jī)制，如 IPC鎖、消息傳遞和中斷／通知。 任務(wù)代碼可以使用IPC鎖特性來(lái)保護(hù)共享數(shù)據(jù)和 IPC 消息傳遞到核心之間的通知和數(shù)據(jù)。

IPC鎖

當(dāng)訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行修改時(shí)，訪問(wèn)核心／任務(wù)就會(huì)嘗試獲取與數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的鎖。 如果鎖是空閑的，那么核心／任務(wù)將被授予訪問(wèn)數(shù)據(jù)的權(quán)限。 一旦更新／處理完成，該任務(wù)就可以釋放鎖來(lái)將數(shù)據(jù)訪問(wèn)到其他待完成的任務(wù)。 這保護(hù)數(shù)據(jù)不會(huì)被多個(gè)試圖同時(shí)更新或使用數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)損壞。

IPC消息

除了保護(hù)共享數(shù)據(jù)外，還需要一種通信方式來(lái)同步核心之間的任務(wù)。 這可以通過(guò)在內(nèi)核之間傳遞的＂命令和參數(shù)＂消息包來(lái)實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)一個(gè)核心希望對(duì)方執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作時(shí)，它會(huì)將動(dòng)作／命令I(lǐng)D包含任何需要的參數(shù)到消息中，并將消息傳遞給IPC。 一旦消息包準(zhǔn)備好，核心會(huì)在另一個(gè)核心上觸發(fā)一個(gè)IPC中斷，在這個(gè)核心中，命令被解析，然后執(zhí)行。

智能家居配備可穿戴設(shè)備

為了理解可穿戴設(shè)備與智能家居互動(dòng)的一些方法，可以考察一些用例。

智能廚房

智能電器只有在家長(zhǎng)在附近（即家長(zhǎng)的健康監(jiān)察器或電話在適當(dāng)范圍內(nèi)）時(shí)，才能使用危害兒童的器具（例如爐子、爐子、洗碗機(jī)） ，以防止發(fā)生意外。

圖11｜使用可穿戴設(shè)備的智能廚房控制

智能車庫(kù)

一個(gè)自動(dòng)車庫(kù)門可以做更多的開(kāi)放。 當(dāng)一個(gè)人走近車道或門，設(shè)置一個(gè)預(yù)先設(shè)定好的功能序列，例如打開(kāi)車道、車庫(kù)、走廊和廚房的燈光，就可以觸發(fā)＇我回家＇功能。車庫(kù)的門也可以調(diào)整家庭的安全設(shè)置，打開(kāi)車庫(kù)內(nèi)部的入口門，調(diào)整房間的供暖到預(yù)設(shè)溫度，打開(kāi)家庭音響系統(tǒng)開(kāi)始播放音樂(lè)。

圖12｜使用可穿戴設(shè)備的智能車庫(kù)控制

基于手勢(shì)的交互控制

一種包含9軸運(yùn)動(dòng)感應(yīng)的可穿戴設(shè)備可以決定用戶手腕的方向。這種定向數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步處理，以檢測(cè)基于運(yùn)動(dòng)的手勢(shì)。 這樣的手勢(shì)可以用來(lái)控制節(jié)點(diǎn)。 例如，當(dāng)一個(gè)人靠近前門時(shí)，他或她可以把手腕平放，指向門，并順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手腕來(lái)打開(kāi)門或者逆時(shí)針鎖上門（見(jiàn)圖13）。

圖13｜使用可穿戴設(shè)備的智能門鎖控制

同樣，當(dāng)一個(gè)人靠近房間控制節(jié)點(diǎn)時(shí)，圖14所示的手勢(shì)可以用來(lái)控制光強(qiáng)。 例如，旋轉(zhuǎn)手腕順時(shí)針?lè)较蛟黾庸鈴?qiáng)度，而逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)則會(huì)減弱光強(qiáng)（見(jiàn)圖15）。

圖14｜手腕旋轉(zhuǎn)的例子

圖15｜室內(nèi)燈光控制示例

隨著可穿戴設(shè)備中存在多個(gè)靜態(tài)BLE節(jié)點(diǎn)和處理資源，可以在了用的準(zhǔn)確性范圍內(nèi)對(duì)家庭中使用可穿戴設(shè)備的用戶進(jìn)行三角測(cè)量。 這個(gè)位置，連同從9軸傳感器融合算法得到的方向性數(shù)據(jù)，可以使用戶指向一個(gè)物體并與其進(jìn)行交互。 圖16顯示了一個(gè)用戶在多節(jié)點(diǎn)智能家居環(huán)境中與燈泡互動(dòng)的例子。 門鎖、燈泡和溫度節(jié)點(diǎn)，每個(gè)都有一個(gè)靜態(tài)位置，用來(lái)三角定位可穿戴設(shè)備在房子里的位置。數(shù)據(jù)表明用戶指向的方向。 手腕手勢(shì)可以用來(lái)發(fā)送控制命令或者與被指向的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。

圖16｜節(jié)點(diǎn)控制示例

為了能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的功能，智能家居和可穿戴設(shè)備可以互動(dòng)，可穿戴設(shè)備需要一個(gè)嵌入式的MCU，具有靈活和綜合的架構(gòu)。為了能夠與可穿戴設(shè)備中的許多傳感器進(jìn)行接口，嵌入式單片機(jī)必須支持多個(gè)不同的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字和模擬接口。 MCU還可能需要多個(gè)ADC來(lái)獲取信號(hào)和集成運(yùn)算放大器，以減少組件和可穿戴形式。 如果可穿戴設(shè)備支持一個(gè)電容式觸摸顯示器，它將需要傳感器和處理資源來(lái)實(shí)現(xiàn)各種觸摸元件，包括按鈕、滑塊和近距離傳感器。 圖17顯示了可穿戴設(shè)備可能需要的許多功能。

圖17｜適合智能家居的可穿戴設(shè)備架構(gòu)

此外，如前所述，雙核體系結(jié)構(gòu)將使開(kāi)發(fā)人員能夠提供足夠的處理能力，同時(shí)保持整體的低功耗操作。 圖18顯示了如何在一個(gè)低功耗核心（Cortex－M0 ＋）和一個(gè)高性能核心（Cortex－M4）之間的功能分區(qū)。

圖18｜低功耗核心（M0 ＋）與高性能核心（M4）之間的功能劃分

低功耗運(yùn)行及效率

低功耗對(duì)于使用電池的可穿戴設(shè)備來(lái)說(shuō)是必不可少的。 嵌入式單片機(jī)需要支持多種操作模式，以使開(kāi)發(fā)人員能夠優(yōu)化電能效率。 除了極低的睡眠和休眠模式外，MCU應(yīng)該能夠動(dòng)態(tài)地測(cè)量核心的電壓和頻率。

為了理解動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放如何能夠節(jié)省大量電力，可以考慮指紋傳感器的例子。 當(dāng)指紋傳感器沒(méi)有使用時(shí)，系統(tǒng)可以記錄到較低的頻率和電壓，比如48兆赫和0．9v（ULP）核心操作。 當(dāng)指紋被啟用和運(yùn)行時(shí)，指紋傳感器的指紋中斷指示指紋，系統(tǒng)會(huì)被記錄到更高的頻率和電壓，以提供實(shí)時(shí)處理，按96mhz 和1．1v的核心操作進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。 由于指紋操作不是那么頻繁，設(shè)備大部分時(shí)間都是在ULP 模式下運(yùn)行，從而大大降低了整體功耗（見(jiàn)圖19）。

圖10｜PSoC 6 BLE的電源管理示例

另一個(gè)優(yōu)化功率效率的例子是通過(guò)管理PMIC控制器。 例如，嵌入PSoC 6的 MCU 可以關(guān)閉向其自身提供VDD的PMIC。 可以通過(guò)開(kāi)關(guān)機(jī)啟用PMIC。 這就消除了對(duì)外部控制PMIC 的專用邏輯需要。 在這種功率下降模式下，單片機(jī)幾乎沒(méi)有任何電流，仍能保持時(shí)間存活。 當(dāng)需要的時(shí)候，它也可以被喚醒。

安全性

可穿戴設(shè)備和智能家庭網(wǎng)絡(luò)之間的安全通信非常重要。安全性可以在嵌入式單片機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多層次的安全性：

BLE安全性

嵌入式單片機(jī)需要支持最新的安全更新到 BLE 規(guī)范，其中包括BLE安全連接和私密的鏈路層。鏈接層隱私提供一個(gè)可解析的私人地址，使黑客難以嗅到設(shè)備。

OTA安全性

安全引導(dǎo)確保MCU只執(zhí)行信任代碼。 與OTA結(jié)合使無(wú)線應(yīng)用程序能夠更新，并且只允許在設(shè)備中執(zhí)行可信代碼。

加密處理器

在硬件中處理加密方法大大簡(jiǎn)化和加速?gòu)?fù)雜的安全算法，減少開(kāi)發(fā)難度并最小化CPU的干預(yù)。

外部存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)解密

除了加密處理器外，嵌入式處理器還可以在串行存儲(chǔ)器接口上提供實(shí)時(shí)的加密／解密。 這種能力極大地簡(jiǎn)化了外部存儲(chǔ)中加密代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)現(xiàn)。