智能家居市场趋势、用户界面和传感要求

物联网应用正在以非常快的速度增长，并且在过去几年中一直在影响我们的生活。物联网应用的潜在范围是无穷无尽的，智能家居仍然是消费者中最受欢迎的物联网应用。我们的家庭一天比一天更智能。对智能家居设备的需求呈指数级增长，预计到 2023 年我们将拥有超过 10 亿台设备。

智能家居是一个相对术语，因为对于某些人来说，它只是意味着为其他人使用智能扬声器和智能恒温器，它可能包括智能灯泡、智能锁或智能安全摄像头。这些家用设备，如灯泡、相机和恒温器已经存在了很长时间，但现在是什么让它们变得智能呢？感知和适应性、直观的用户界面、与云的连接以及安全的执行环境是使它们变得智能的主要因素。本文涵盖了此类智能家居设计的各个方面，并介绍了如何实现它们。

在这一部分中，我们将介绍一般智能家居市场趋势、用户界面和传感要求。在第 2 部分中，我们将介绍面向智能家居市场的设备的连接和安全要求。

市场趋势

物联网技术正在将普通家庭转变为智能家居。人们享受通过集成网络控制整个房屋的权力。我们生活在一个智能设备根据天气状况提醒我们携带雨伞的时代。对智能家居设备的需求呈指数级增长，预计到 2023 年我们将拥有超过 10 亿台设备。

智能家居设备

人类之所以繁荣了几十万年，是因为他们有一个内在的品质：人与人之间的互动。对于人类来说，期望他们的设备和小工具表现相似并不奇怪。小工具相互连接或连接到网络的这种能力使它们更接近智能。需要智能控制器/处理器和连接设备来实现这些智能家居设备所需的功能。需求是使用集成尽可能多的功能的控制器，以最佳成本设计独特的解决方案。最重要的功能包括具有丰富图形用户界面的显示器、从用户和环境获取输入的触摸和感知、交换数据和云处理的连接、用于数据记录的安全执行环境、经过证明和加密的应用程序执行、安全的无线 （OTA） 更新等。

显示界面：具有丰富图形用户界面的显示。MCU提供RGB，Intel 8080，SPI，I2C等接口，用于驱动显示器。

触摸和感知，从用户和环境获取输入。需要具有集成触摸功能的MCU和用于模拟和数字传感器接口的灵活外设。

处理能力：MCU需要具有像Cortex-M4这样的处理器内核，以处理智能家居应用的广泛处理需求。

与云和家庭中的其他设备交换数据的连接。WiFi 和蓝牙是云和本地连接最受欢迎的接口。

用于存储、操作和通信的安全执行环境。

显示和图形

用户界面是最重要的功能之一，因为这是用户和智能设备之间的第一个接触点。大多数智能设备都提供多种与用户交互的方法，包括内置显示器、智能手机、遥控器、语音控制等。带有内置显示屏的设备是最受欢迎的，因为用户可以进行交互而无需使用其他额外的设备，从而节省成本。通常，内置显示器具有触摸功能，具有信息丰富的GUI，使设备易于用户使用。

串行外设接口（SPI），内部集成电路（I2C），RGB（红绿蓝），移动工业处理器接口（MIPI）等是一些趋势显示接口。每种类型在使用引脚、带宽、显示尺寸和刷新率方面都有自己的优势。

RGB接口在智能家居应用的显示接口中非常受欢迎，因为它可以以合理的色深和良好的刷新率驱动中型显示器，同时具有成本效益。但是驱动RGB接口通常需要在MCU中实现专用图形IP。通常，MCU不附带集成控制器。那些具有集成图形IP的MCU往往成本更高，并且对于智能家居应用来说往往矫枉过正。

在本文中，我们将解释一种使用简单的MCU外设（无需CPU干预）驱动这些显示器的创新方法，从而为该问题提供一种经济高效的方法。在我们展示如何在没有专用昂贵图形IP的情况下使用MCU实现显示控制器之前，让我们花一些时间了解RGB接口。RGB 接口是一种并行接口，其中直接驱动显示器的红色、绿色和蓝色像素。它需要 2 组称为控制信号和像素数据的信号。控制信号由垂直同步、水平同步、数据启用和点时钟组成。控制信号如下图3所示。

如果我们仔细观察这些信号，我们可以看到这些信号是以特定方式同步的PWM。决定像素颜色的像素数据必须与点钟同步发送到显示器，并使能数据。这可以使用 DMA 完成。除了PWM和DMA，还需要一些逻辑来实现控制信号。图 4 显示了使用PSoC 6连接设备的一种此类实现，它使用 PWM、DMA 和智能 IO（用于逻辑功能）。

有几种方法可以通过交换PWM模块的位置来获得相同的结果。这一切都归结为底层芯片提供什么和多少 IP。您可能还会注意到图 4 中放置的逻辑 AND 块。它可以被任何执行所需 AND 操作的硬件块所取代（如PSoC 6 中的 Smart-IO）。模块之间的同步（以及最终控制信号之间的同步）是通过公共源时钟和PWM的对齐来实现的。应该注意的一个重要因素是，这种实现需要零CPU利用率来持续驱动显示器。

现在硬件实现已经准备就绪，我们需要适当的固件来完成图形接口。有很多嵌入式图形库可以处理图形操作;一个这样的例子是emWin图形库。此库只需要一个驱动程序即可与硬件通信。库提供的 API 为用户抽象出底层图形硬件，大大简化了 GUI 设计。

触摸屏

触摸屏彻底改变了我们与设备交互的方式。它们非常直观和方便，用户无需任何学习或培训即可操作。对于许多原始设备制造商来说，仅此一项就是在智能设备中使用触摸屏的主要驱动因素。两种最流行的触摸屏类型是电阻式和电容式。

电阻式触摸的工作原理是使顶层在触摸时与底层接触。这将关闭一个电路，提供接触点。电阻式触摸通常用于单点触摸检测。电容式触摸的工作原理是检测触摸感应层上的电容变化。电容式触摸可以检测多个触摸点，与电阻式触摸相比，需要的物理力更小。电容式触摸屏主要用于智能家居应用。一些MCU提供集成解决方案，以与电容式触摸屏/屏幕（即PSoC 6MCU中的CapSense外设）进行交互。

智能家居应用中的触摸传感

鉴于电容式触摸技术的易用性、耐用性和响应能力，电阻式屏幕已成为过去。如今，问题不在于选择电阻式或电容式触摸屏，而在于在具有给定要求的应用中使用什么级别的电容式触摸解决方案。电容式触摸屏解决方案的范围从简单、经济高效的单点触控解决方案到功能丰富的具有防水和悬停支持的多点触控解决方案。

对于恒温器或咖啡机等设备所需的简单智能家居图形用户界面，首选更简单、更具成本效益的实现。或者，更复杂的GUI（例如运行成熟操作系统的智能家居中央控制器）需要功能丰富的实现，以使用户能够访问所有可用功能。最后，这是在触摸屏提供的成本与功能之间进行权衡。

许多原始设备制造商提供集成电容感应的MCU，以简化设计并降低系统成本。例如，PSoC 6 MCU系列提供了智能家居应用所需的全系列电容式触摸解决方案。它为简单的单点触控解决方案提供CSD自电容方法，为多点触控解决方案提供CSX互电容方法，以及两者的动态组合，以提供具有防水性，接近性和悬停支持的多点触摸解决方案。根据应用的不同，抗噪性（信噪比）和防水性可能是一个重要的考虑因素。从软件的角度来看，访问直观的工具也很重要。例如，CapSense配置器和中间件库与ModusToolbox IDE相结合，极大地简化了触摸传感的实施。

由于触摸和图形是相辅相成的，嵌入式图形库通常也具有用于处理触摸的 API。用户应用程序应通过触摸库获取触摸点的 x-y 坐标，然后将这些坐标传递给图形库以执行预期的操作。图形库还提供了用于创建智能家居设备所需 UI 的工具。

此外，接近感应还广泛用于将器件从低功耗模式唤醒。这可确保在不使用设备时关闭显示和触摸处理。电容式触摸处理通常也能够使用相同的传感器处理接近度。

感知环境

智能家居设备成功的因素之一是它们能够在没有人机交互的情况下感知周围环境。通过了解其周围条件，设备可以让算法做出解释并为用户提供合适的选择。一些广泛使用的传感器及其应用是：

运动传感器：用于家庭安全系统。如果在意外时间有动作，则提醒所有者。

温度传感器：用于恒温器和闭环温度控制系统。

环境光传感器：用于花园和其他感兴趣区域的自动照明系统。

烟雾传感器：用于自动灭火器。

土壤湿度传感器：用于自动植物浇水系统;智能园艺

传感器提供数据，而真正的处理是MCU。传感器大致可分为模拟传感器和数字传感器。模拟传感器以模拟电压/电流的形式提供检测数据，数字传感器根据配置的范围以数字计数的形式提供检测数据。

要读取模拟数据，您需要一个ADC（模数转换器）。大多数MCU（如PSoC 6）都提供集成ADC，以便在内部执行这种模数转换。有时，模拟信号在转换前可能必须经过一些预处理（如放大、滤波等）。如果运算放大器等可编程外设是MCU本身的一部分，则预处理也可以在内部处理。

许多传感器都有额外的电路，可以处理模拟数据和数字输出。该数字数据通常通过串行通信总线发送出去。这不仅减轻了MCU端的处理负担，而且可以更快地对数据进行采样。数字传感器的主要缺点是由于其额外的电路而成本较高。

综上所述，如果您担心设计成本和面积，选择能够高效处理模拟数据的MCU更具成本效益。MCU还应该通过其外设的可配置性和可编程性来灵活地调整它们以满足应用的要求。

审核编辑：郭婷