智能家居接入物聯網的關鍵技術

　　談及高深莫測的物聯網（IoT），最接地氣的莫過于智能家居接入互聯網。家用電器通過家庭網關連接寬帶網，送入云端，進行信息交換和通信，可實現識別、定位、跟蹤和遠程管控。智能家居聯網系統可包括嵌入式微控制器（MCU）、無線連接、軟件平臺和應用軟件APP。本文介紹一套鮮活的家居聯網解決方案，跨越概念化、落地難的門檻，走進現實，觸手可及。

　　一． 系統組成

　　典型的應用場景中家居電器聯網系統由微控制器、網關、受控物品和接入控制設備組成。孤立的物品（冰箱、空調、汽車、儀表等）接入網絡世界，互相之間可以交流，形成智能網絡。用戶通過平板電腦或手機實現對受控物體信息采集分析和智能化管理，也可以上線進行遠程操作。

　　圖一 智能家居聯網系統圖

　　從上圖可看出，家庭自動化系統將嵌入式微控制器技術、無線連接、接入網絡融合為一體。Apps軟件能夠使用戶發現家里的設備，予以設置，或者創建一個動作加以控制。

　　遠程管控讓你不管走到哪兒，都不會與家里失聯，隨時隨地“發現、管理、控制”。例如，旅游在外，你仍可監視住宅的安全環境和調節家舍的室內溫度。

　　微控制器單芯片將無線連接功能包含在內，按照不同的無線連接協議分類，可構成WiFi，藍牙（Bluetooth），Zigbee等系列。

　　二． 關鍵部件

　　微控制器是家居智能化的關鍵部件。MCU和Wi-Fi是最基本的兩個元素。以Marvell MW300 Wi-Fi微控制器為例，它是內置全功能微控制器的單芯片SoC，支持802.11n Wi-Fi。

　　圖二 Wi-Fi微控制器單芯片SOC示意圖

　　MW300 Wi-Fi微控制器單芯片解決方案的主要性能特點如下：

　　§ 內置全功能微控制器MCU + WLAN的單芯片SoC；

　　§ 支持802.11n Wi-Fi，無線頻段2.4GHz；

　　§ 采用支持DSP和浮點運算的32位Cortex-M4 CPU，性能高達200MHz；

　　§ 3.3V輸入電源，適用于各種基于電池供電的應用場景；

　　§ 極低的RBOM，僅需要一個晶體、一塊QSPI閃存和單軌功率輸入天線；

　　§ 支持全套I/O接口，包括SPI、I2C、UART、I2S、ADC/DAC、PWM，易于與傳感器和起動器連接，減少了額外的組件和PCB面積；

　　§ 大容量SRAM以及支持USB視頻（UVC）和USB音頻（UAC）的高速USB2.0 OTG接口，對任何裝置均支持音頻和視頻數據傳送；

　　§ 實現了深度低功耗狀態，同時降低了正常工作時的功耗；

　　§ 采用先進的40納米半導體工藝，集成度高，體積小；

　　§ 適用溫度范圍為-40 - 85oC。

　　圖三 典型的MCU單芯片內部體系結構圖

　　三． 軟件特點

　　無線技術具有較高門檻，僅有IP還難以集成為成品。設備制造商需要在IoT應用上創新，并縮短設計周期快速推向市場。作為微控制器的提供商，有必要為應用集成商奉獻設計工具和技術，支持ODM、OEM的生態系統。所以，軟件開發工具也是不可或缺的部分。

　　軟件平臺應包括軟件開發工具包（SDK）和應用編程接口（API），以幫助開發人員充分挖掘SoC解決方案中內置微控制器的潛力，從而令系統集成商易于整合，推出成熟穩定的系統，而且大大減少產品投放市場時間。

　　Marvell推出的EZ-Connect是生產就緒型軟件，支持業界標準通信協議。EZ-Connect軟件包括易用的軟件開發工具包（SDK）和應用編程接口（API），能使集成商將精力和資源專注于為消費者及最終用戶開發創新性服務和應用。

　　面向Wi-Fi微控制器的EZ-Connect軟件具備以下功能：

　　§ 通過專有工具，實現對Wi-Fi 無頭（Headless）設備簡單快速的配置部署；

　　§ 與IoT云服務提供商的服務實現內置集成，全套中間件組件支持業界標準Web協議，包括HTTP、TLS/SSL、BSD Socket、Web-Socket、JSON以及XML語法分析程序，以實現與云服務的有效銜接；

　　§ 支持空中固件升級，僅通過編寫幾行代碼，就可將該功能添加到任何應用上；

　　§ 靈活的通信模式可實現P2P應用、設備至設備通信、與移動客戶端及云服務無縫集成；

　　§ 從WiFi到應用層具有多層安全機制，實現安全部署，防止損害用戶隱私；

　　§ 經過場測驗證，支持包括測試在內的產品制造所需程序，以使產品快速上市。

　　四．應用場景

　　不同的應用場景會選用不同的微控制器。常用的無線連接有三大類，以構成一個完整的平臺。除了支持Wi-Fi 802.11n以外，還有支持雙模藍牙4.1和支持802.15.4/ZigBee的微控制器。

　　Wi-Fi微控制器應用場景最為普遍，主要適用于智能家居中冰箱、制冷空調等白色家電與家庭網絡的長時間連接。

　　藍牙（Bluetooth）連接模式適合在近距短時間情況下使用，例如裝置之間的“互動”。藍牙微控制器是支持雙模藍牙4.1、集成了微控制器和無線連接的單芯片SoC，實現經典藍牙與智能藍牙并存運行，內置語音功能支持高分辨率ADC以及與麥克風的直連。

　　ZigBee連接模式適用于大量的結點例如照明路燈構建網狀網絡。結點數可高達6萬個。ZigBee微控制器是支持802.15.4/ZigBee、集成了微控制器和無線連接的單芯片SoC，易于與傳感器、起動器以及其他組件連接，減少了外部組件和PCB面積。

　　五．產業服務

　　為了滿足越來越多致力于實現智能化的企業需求，服務商和開發商攜手合作相得益彰，推出一站式服務，引入開放式開發平臺將家電產品與智能平臺連接起來，在技術和應用上為企業提供Wi-Fi模塊+云服務+APP的打包服務。從0到產品上線，構建一條完整的產業鏈，包括產品方案制定、模塊集成、功能定義、聯動測試、云服務搭建、上線發布等，這一過程無需技術人員參與，自主通過在線平臺即可完成。

　　圖四 智能家居產業鏈

　　家電企業可以選擇多個超級APP來控制設備實現跨品牌、跨門類產品的互通。場景化體驗可讓用戶DIY不同場景，觸發各種智能產品的管理和運行。

　　總之，智能家居聯網是發展趨勢。基于全方位的無線MCU硬件平臺，搭配軟件開發套件 （SDK），構成了全面完整又靈活易用的核心資源。ODM/OEM受益于厚積薄發的微控制器技術，在提高性能、降低功耗、減少用料的同時，借力開發平臺，可輕松地推出創新的物聯網產品，形成貼近生活的智能解決方案。