從存在檢測到生命感應: 英飛凌解決物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)挑戰(zhàn)

1.      引言

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 正在興起。智能設備正在釋放技術優(yōu)勢，幫助人們創(chuàng)造附加值，提高行業(yè)生產率。然而，物聯(lián)網(wǎng)也帶來了許多挑戰(zhàn)，例如新技術的復雜性，以及獲取和處理數(shù)據(jù)以做出明智決策的需求。換句話說，將產品特性轉化為系統(tǒng)解決方案是一項挑戰(zhàn)。英飛凌通過提供基于 XENSIV? 連接傳感器套件的可立即部署的解決方案來應對這些挑戰(zhàn)。該套件是一個原型平臺，用于簡化和加速新應用和創(chuàng)新用例的開發(fā)。

雖然定義物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的方法有很多種，但物聯(lián)網(wǎng)通常被稱為連接到互聯(lián)網(wǎng)的“物”網(wǎng)絡。“物”是配備傳感器、執(zhí)行器、處理能力和連接性的物理對象。物聯(lián)網(wǎng)世界中的設備通常被定義為“智能設備”。智能部分主要是收集和解釋傳感器數(shù)據(jù)的結果，用于觸發(fā)動作。這就需要連接到互聯(lián)網(wǎng)或專用云，以便設備可以相互交互，在網(wǎng)絡內交換數(shù)據(jù)，并進行遠程控制。這樣，物聯(lián)網(wǎng)技術就可以幫助人們解決社會挑戰(zhàn)，為人們帶來好處，并提高行業(yè)生產率。

數(shù)十億臺互聯(lián)設備已投入使用，預計未來這一數(shù)字將穩(wěn)步增長 （圖1a）。物聯(lián)網(wǎng)基礎設施是智能家居市場增長的最重要驅動力之一。根據(jù) Statista 的數(shù)據(jù)，到 2027 年，全球家庭中的智能設備數(shù)量將會翻一番 （圖1b）^[1]。

圖1a. 2019-2030 年全球物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設備數(shù)量（以十億計）

圖1b. 智能家居分析中包含的所有產品類型都將在不久的將來實現(xiàn)巨大增長

2.      釋放物聯(lián)網(wǎng)的力量

每個物聯(lián)網(wǎng)解決方案的核心都是微電子：傳感器、執(zhí)行器、微控制器、通信模塊和安全組件。這些組件使系統(tǒng)能夠測量、處理相關環(huán)境數(shù)據(jù)，并連接到互聯(lián)網(wǎng)。然而，要構建成功的物聯(lián)網(wǎng)設備，僅僅能訪問物理模塊還不夠。這些模塊還必須能快速高效地集成到網(wǎng)絡中，必須以智能方式處理大量數(shù)據(jù)，必須建立穩(wěn)定安全的云連接。

為了克服這些基本挑戰(zhàn)并進一步加速開發(fā)，英飛凌提供了一個專用的開發(fā)平臺，工程師借助該平臺能夠快速、輕松、安全地實施其物聯(lián)網(wǎng)理念。XENSIV? 連接傳感器套件 (CSK) 是英飛凌的第一個物聯(lián)網(wǎng)傳感器平臺（圖2），支持基于英飛凌雷達、環(huán)境傳感器及其他傳感器的快速原型設計和開發(fā)。希望快速設計、部署物聯(lián)網(wǎng)解決方案的客戶可以訪問英飛凌的一體化開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，其中包含全面?zhèn)鞲衅鲙煲约皞鞲衅骱瓦B接用例的應用代碼示例。所有這些特性使客戶能夠顯著縮短智能 家居或智能 樓宇應用從概念驗證到完全開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)設計的時間。

圖2. 英飛凌 XENSIV? 連接傳感器套件 (CSK) 配備了 XENSIV? BGT60TR13C 雷達 和 XENSIV? PAS CO2 傳感器。欲了解更多信息，請點擊訪問

3.      英飛凌物聯(lián)網(wǎng)平臺的構建塊

XENSIV? 連接傳感器套件 (CSK) 包括四個基本構建塊（圖3）：

圖3. 英飛凌 XENSIV? 連接傳感器套件中的組件

3.1 感測

傳感器賦予物聯(lián)網(wǎng)設備人類感官，建立態(tài)勢感知。在英飛凌眾多傳感器產品組合中，XENSIV? DPS368 氣壓、XENSIV? BGT60TR13C 雷達和 XENSIV? PAS CO2 傳感器已集成到 CSK 中。以后將會繼續(xù)添加其他傳感器實現(xiàn)。在參考設計中的感測元件極具特色，同時也包括所有必要的組件，例如穩(wěn)壓器、電壓轉換器和振蕩器 ^[2]。這在設計和測試階段節(jié)省了大量時間和資源，降低了技術風險和 BOM 成本。

3.2 計算

微控制器 (MCU) 處理獲取的數(shù)據(jù)、做出決策，并協(xié)調與設備的通信。物聯(lián)網(wǎng)領域對微控制器的要求與物聯(lián)網(wǎng)應用本身一樣極具多樣化。CSK 采用 PSoC? 62，這是一款專為物聯(lián)網(wǎng)設計的低功耗、高性能 32 位 Arm? MCU。應用代碼示例通過 ModusToolbox? 軟件環(huán)境提供，可以讓基于PSoC 處理平臺上的評估和開發(fā)工作更容易。代碼示例包括三層：1. BSP（板級支持包），包括時鐘、外設和參考評估板引腳的配置說明；2. 傳感器驅動程序，包括與 XENSIV? 傳感器連接的函數(shù)；3. 算法層，其中包括從傳感器原始數(shù)據(jù)到經過處理的應用輸出的整個信號處理鏈。

3.3 連接

基于以上的理念，英飛凌開發(fā)出專用于LED驅動電源的NFC控制芯片NLM0010和NLM0011，封裝是非常緊湊的SOT-23，5腳封裝，內建了豐富的功能。既可以在出廠前設置，也可以在終端客戶安裝前根據(jù)不同的光源設置，極大地簡化了設計和使用。為了使設備能夠相互通信，并與云實現(xiàn)通信，模塊需要連接到物聯(lián)網(wǎng)。對于外形小巧的物聯(lián)網(wǎng)設計，英飛凌的 CSK 提供了 AIROC? 連接組合模塊，在單芯片解決方案中集成了雙頻 2.4 GHz 和 5 GHz Wi-Fi 4 (802.11n) 和藍牙? 5.0。關于軟件資產(在軟件實例部分)，我們使用 CSK 演示了 MQTT 客戶端實現(xiàn)。MQTT 是物聯(lián)網(wǎng)中非常流行的開源發(fā)布/訂閱通信協(xié)議，因為它可以跨平臺使用，同時占用的帶寬最小。發(fā)布器(端)和訂閱器(端)在空間上解耦(相互獨立)?？蛻舳诉B接到配置的 MQTT 代理：客戶端發(fā)送消息（發(fā)布器）以傳達傳感器事件，并從代理接收消息（訂閱器）。用戶無需為客戶端識別生成證書和密鑰；這塊由英飛凌負責幫您實現(xiàn)。

3.4 安全

安全性是物聯(lián)網(wǎng)的基礎，因為只有在嵌入式系統(tǒng)中有足夠的安全性和隱私性，才有可能建立必要的信任，以增強和充分探索物聯(lián)網(wǎng)的可能性。這便是英飛凌 OPTIGA? Trust M 的優(yōu)勢所在，它為嵌入式安全解決方案和使用 CSK 時的安全移動連接提供了理想的解決方案。運行 OPTIGA? Trust M 設置時，即可以從主機庫中受益，主機庫專用 API 以與安全芯片交互，還可以從相互驗證、安全通信、數(shù)據(jù)存儲保護和安全 OTA 軟件更新等示例應用中受益。

4.      支持 CSK 的用例 

獲取、處理和解釋數(shù)據(jù)的能力，以及與其他設備通信、互連的能力，正在成為降低功耗、提高多種環(huán)境安全性，甚至讓我們的日常生活變得更加舒適的強大工具。

例如，一個要求頗高的智能設備功能是存在檢測，旨在通知附近是否有人類目標。照明、聲音、供暖、制冷、通風和門禁系統(tǒng)都可以從這些信息中受益，并可以及時激活，提高用戶舒適度，同時也能節(jié)省能源。英飛凌基于雷達的高靈敏度存在檢測解決方案不僅能夠檢測宏觀運動，還能夠檢測微觀運動。用戶與設備的交互會變得更加自然，因為用戶無需再在感測元件前揮手以確保設備做出反應。傳感器集成和算法開發(fā)是主要挑戰(zhàn)，但英飛凌的 CSK 可以在這方面提供幫助，可為存在檢測提供參考設計和可立即部署的用例。

另一個用例體現(xiàn)在醫(yī)療保健和健康方面：英飛凌的 XENSIV? BGT60TR13C 雷達傳感器可以檢測人體胸部由心肺活動引起的細微運動。英飛凌的雷達解決方案可確保持續(xù)監(jiān)測呼吸和心跳，而無需與用戶直接接觸或記錄隱私敏感信息。持續(xù)的生命體征跟蹤可用于提高我們的健康意識，也有助于醫(yī)療保健專業(yè)人員研究生命體征信號與年齡、性別和生活習慣的關系。該解決方案提供了有關不同人群健康和幸福感的及時信息：可以在家中持續(xù)監(jiān)測老年人，從而減少去醫(yī)院和醫(yī)生診所就診的次數(shù)；也可以在夜間監(jiān)測嬰兒，讓父母更加方便和安心，無需再經常查看育兒室。

CSK 與 XENSIV? PAS CO2傳感器結合使用，可以實現(xiàn)持續(xù)的空氣質量監(jiān)測。通風不良會導致氧氣含量降低和二氧化碳（CO2）積聚。即使是中等濃度的 CO2 也會對健康和工作效率產生負面影響：當濃度達到 1000 ppm 時，人們就開始感到困倦，難以集中注意力。如果 CO2 傳感器在房間內的空氣質量惡化時能立即發(fā)出警告，那當然是件好事。然而，為了充分利用互聯(lián)世界的可能性，CO2 傳感器預計會先將此類警告發(fā)送到自動化系統(tǒng)，之后再通過調節(jié)通風系統(tǒng)或自動打開窗戶來做出相應的反應。得益于按需控制的通風系統(tǒng)、空氣凈化器和恒溫器，配備實時 CO2 監(jiān)測系統(tǒng)的智能家居可以從改善的空氣質量和更加舒適的環(huán)境中受益。

需要考慮的一個方面是節(jié)能的巨大潛力，因為互聯(lián)設備只有在用戶處于范圍之內才能激活。歐盟 ^[3] 約 50% 的能源消耗來自樓宇和工業(yè)中的供暖和制冷系統(tǒng)。例如，配備英飛凌 CO2 傳感器 的通風系統(tǒng)可節(jié)省高達 55% 的能耗 ^[4][5]。在樓宇額外配備智能恒溫器和樓宇自動化系統(tǒng)時，節(jié)能效果會更好。

圖4. XENSIV? 連接傳感器套件支持的創(chuàng)新用例示例

其中一些用例（圖4）已經作為可部署的物聯(lián)網(wǎng)解決方案在 CSK 中實施。然而，英飛凌的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺已經為新的用例實施做好了準備：工程師可以簡單地利用現(xiàn)有的代碼示例來探索無數(shù)未來應用，這些應用可為用戶帶來更多的舒適度和便利性，同時還更加環(huán)保。

這兩個IC的使用非常簡易，硬件電路主要涉及IC的輸出信號設計、Vcc的設計和天線設計。

5.      結論

開發(fā)可靠的智能解決方案需要多個組件協(xié)同工作——這對工程師來說是一項真正的挑戰(zhàn)，尤其是考慮到大量可選擇的制造商，以及掌握每個組件所需的深度知識。無線和嵌入式系統(tǒng)的相互作用不容忽視，安全、云集成和能源管理也不容忽視。此外，必須收集、合并和處理環(huán)境數(shù)據(jù)，以控制互聯(lián)設備的行為和反應方式。應對所有這些挑戰(zhàn)非常耗時，而且需要大量專業(yè)知識。使用英飛凌的 XENSIV? 連接傳感器套件可以加速物聯(lián)網(wǎng)設備的開發(fā)：該套件不僅可以收集準確、多樣的數(shù)據(jù)，還可以很好地利用態(tài)勢感知。

6.      Alessandra Fusco 高級工程師系統(tǒng)應用

Alessandra Fusco 是一位經驗豐富的系統(tǒng)應用工程師，目前在慕尼黑英飛凌科技股份有限公司擔任物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)組的技術主管。她專門研究消費類應用的算法和系統(tǒng)設計，目前正在研究結合傳感器、邊緣分析和連接的創(chuàng)新型應用解決方案，該方案適用于從使用超聲波的目標跟蹤到使用雷達的生命感應算法開發(fā)等應用。過去，Alessandra 的研究范圍涵蓋了從構思到解決方案上市部署的整個產品開發(fā)周期。

7.      文獻

[1] Statista，家庭變得越來越智能。 https://www.statista.com/chart/27324/households-with-smart-devices-global-iot-mmo/

[2] 有關 KIT_CSK_BGT60TR13C https://www.infineon.com/cms/en/product/evaluation-boards/kit_csk_bgt60tr13c/ 和KIT_CSK_PASCO2https://www.infineon.com/cms/en/product/evaluation-boards/kit_csk_pasco2/的更多詳細信息，請參閱《用戶手冊》。

[3] 歐盟委員會，供暖和制冷。 https://energy.ec.europa.eu/topics/energy-efficiency/heating-and-cooling_en

[4] 通過環(huán)境感測進行占用檢測，Jin 等人。2016

[5] 占用驅動恒溫器對住宅樓宇的節(jié)能影響，Wang 等人。2020

8.      信息框– ModusToolbox

英飛凌的 ModusToolbox 軟件是一個現(xiàn)代的、可擴展的開發(fā)環(huán)境，支持廣泛的英飛凌微控制器器件。該軟件提供了一套靈活的工具，以及多樣化、高質量的、以應用為中心的軟件集合。其中包括配置工具、低級驅動程序、庫和操作系統(tǒng)支持，其中大部分與 Linux、macOS 和 Windows 托管環(huán)境兼容。

圖5. ModusToolbox?中的 XENSIV? 連接傳感器套件軟件堆棧

圖5 總結了連接傳感器套件的整個 ModusToolbox? 軟件堆棧，從板級支持包 (BSP) 到應用層。

如需了解更多信息，請訪問： https://www.infineon.com/cms/en/design-support/tools/sdk/modustoolbox-software/