剖析重要的物联网设计技术 - 安防知识网

本文主要介绍 BLE 无线链路、模拟前端、智能触摸界面以及其他重要的物联网设计技术。

无线连接技术的发展：

　　基于物联网的设备连接仍处于起步阶段。这意味着，随着新应用程式的涌现，显著提高了微控制器(MCU)系统在速度、功耗、范围和容量方面的需求。该领域的潜在商机打破了在设计方面的局限性。蓝牙技术联盟最新(特殊利益集团)宣布，蓝牙5.0标准定位于电子产业对物联网市场需求的典型布局。内容指出，全新的 BLE 标准可提供两倍的传输速度、四倍的传输范围以及广播包的数据承载量是上一个版本的8倍。这些新的技术特性将极大地促进物联网设备与我们日常生活间的各种连接。MCU作为物联网设备的核心，必须与时俱进，紧跟协议的发展进程，支持新标准提供的各种特性。以下是即将推出的最新BLE标准的主要特性。

　　· 速度(传输更快)：蓝牙5.0传输速度上限为2Mbps，是之前4.2版本的两倍。

　　· 传输距离(通信距离更远)：有效工作距离可达300米，是旧版本的4倍之多。

　　· 低功耗(延长电池/设备工作时间)：协议优化大大降低了能源消耗，提升了其性能。

　　· 广播能力(更大的承载量)：协议优化将提升800%增长的数据广播包的承载量。

　　· 安全功能：高安全加密及认证，确保只允许经受权用户跟踪设备位置和安全配对。

　　扩充处理器容量、内存及功耗方面的性能不会凭空而来。对于许多应用程序而言，底层硬件(例如MCU)需要做出相应调整以适应这些特性。因此，生产商在设计下一代MCU时必须时刻紧记这些要求。例如，赛普拉斯 PSoC 6 BLE MCU(见图1)为物联网设计人员提供BLE 5.0所具备的这些功能。

图1：PSoC 6 BLE子系统框图

　　尽管这些特点会增加MCU的负载，但也能为终端用户带来诸多好处：

　　· 性能(范围优势)：相比于基于物联网的其他协议，如Wi-Fi及ZigBee，BLE已经成为无线通信协议的首选。改进过的覆盖范围将确保蓝牙设备(如扬声器、智能门锁、灯泡等)可以在家里任意位置实现完全连接。这是真正实现智能家居的关键一步。BLE 5.0也有可能取代高功耗的Wi-Fi，控制智能家居设备。改进后的覆盖范围还能让智能手表等设备更方便地接收来自智能手机的即时通知。

　　· 低功耗(速度优势)：更快的转输速度提高了响应能力。对于那些非数据密集型物联网设备来说，更快的速度意味着会带来更低的消耗及更长的使用寿命。例如，将传输速度增加两倍，发送/接收时间减少近一半。这样就可以减少功耗，因为设备可以迅速进入低功耗模式。此外，更高的传输速度支持周期性的设备软件更新，这将是物联网应用的一个重要功能。

　　· 无线连接服务(广播容量优势)：广播容量的显著增加将使信息传输更加丰富和智能化，Beacon等无线连接服务将能够传输更多的信息。举例来说，Beacon可以传输实际内容，而不是通过URL指向内容。这可能将重新定义蓝牙设备传播信息的方式，因为它通过无需连接的物联网传输信息，而非蓝牙配对设备模式。这有可能让资产跟踪和智能垃圾管理等先进的应用更加智能地使用网状网络。

　　智能触摸界面：

　　正如第一部分中所讲到的，物联网设备跨越消费类、工业、汽车和商业应用领域。这些应用都能受惠于美观的的用户界面，且具备产品差异化，如触摸显示屏、按钮/滑块以及近距离感应。为了让用户享受最佳体验，触摸显示器还需支持手势识别、防水、手腕感应及戴手套触摸。这些特征都可以通过低功耗的电容感应技术实现，除此以外，触摸感应还可以帮助优化功耗，例如使用近距离感应来检测用户何时使用设备。将电容感应集成在 MCU 中则无需单独的专用传感设备，此外，此项集成还可以提升功效、性能并且降低成本(参见图2)。

　　图2：集成BLE连接与电容式触摸感应的PSoC 6

　　电容感应是实现创新应用和提高产品特色的关键技术：

　　智能家居开关─个人远程控制家用设备可以为生活带来带来许多好处，智能家电也是如此。支持智能家电需要两个关键的构建模块：一、无线连接，用于将设备连接到云端;二、可以由多个源头控制的智能开关，如云端、遥控、智能手机及/或用户自身输入指令。

　　图3：电容感应的智能开关

　　带有电容感应的智能开关可以实现许多高级功能：

　　1. 智能调光─电容感应滑块为调光功能提供了一个直观的物理接口。BLE使调光器具备无线连接功能，方便其放置在房屋内的任意位置。

　　2. 存储功能─MCU可以保存其内部存储中选择的亮度设置，并在电源中断或后续使用时恢复设置。

　　3. 安全性─智能开关的高压交流部分与继电器是隔离的，用户实体操作界面部分只用于处理低功率DC，从而保证用户安全。

　　4. 照明功能─MCU可以在开关上提供LED照明，以便用户在黑暗中找到开关。这一特性可以使用基于电容的近距离感应来启动。

　　5. 手势功能─智能开关具有检测近距离和触摸手势的能力，可轻松快速实现配置以运行特定任务。

　　6. 控制功能─支持基于物联网的MCU与电容式感应的开发生态系统，简化了对开关的管理，并兼容多个来源控制。

　　人体检测 — 基于电容式感应技术，可以在特定的范围内探测到包括人体在内的任何导电物质(由于质量的存在)。电容式感应技术丰富了物联网(IoT)设备的功能特性趣味化。例如，出于安全性和低功耗因素考虑，可穿戴设备需要能够检测出设备是否被使用者配带在手腕上。其工作原理非常简单。当用户佩戴设备时，电容式传感器就会检测到手腕上的手环进而触发锁定装置，防止他人偷窥到其中的重要数据。同理，当用户没有佩戴设备时，则会进入低功耗运作模式。这些设计有助于延长电池寿命，同时，这也是任何可穿戴产品所需要考虑的重要因素。

　　图 4 ：电容式感应手腕检测功能

　　电容式触摸滑块— 滑块是一种重要的用户输入机制，可帮助用户轻松地与物联网产品相互作用。相较于大屏幕设备而言，此功能特别适用于小型可穿戴式设备。考虑到这个屏幕可能很小，当用户手指覆盖在屏幕上时，难以观看和更改参数或导航菜单。电容滑动模块使用户只需轻轻一扫就可以在不同的菜单/屏幕之间滑动。相同的滑块电极可以被用作点电容式触摸按钮，用于输入数据或选择菜单项。下图显示了电容式触摸滑块的体现形式。

　　图 5 ：电容式触摸滑块

　　电容式触摸显示屏 ─触摸显示屏为中型及大型的物联网设备提供丰富的用户界面。从微波炉到手持式医疗设备，从智能手表到工业控制器等等。通常，使用电容触摸技术结合显示屏上透明的铟锡氧化物层(ITO)来实现触摸显示屏。依据这种应用方式，电容式触控技术要求能够在潮湿的环境下工作。

　　图6：电容式触摸显示屏

　　基于手势的轻薄用户界面─ 特殊的手势在提高用户体验方面发挥着关键作用。不同的手势功能可帮助物联网制造商区分其产品在市场上的地位。例如，一款无线蓝牙扬声器可直接通过不同的手势来控制音量、上下曲等。手势功能已逐渐成为用户界面最简单直观的形式之一。智能手势包括：向左右任意方向滑动、单击、双击、长按键等等。设备可以由指定的用户手势“唤醒”，因此手势功能不仅可以简化UI，而且还能够降低功耗。

　　图7 ：电容式触控 / 手势接近