從存在檢測到生命感測:加速開發IoT系統

作者 : Alessandra Fusco

物聯網(IoT)正在興起。智慧裝置正在釋放技術優勢,幫助人們創造附加價值,提高產業生產率。然而,物聯網也帶來了許多挑戰,例如新技術的複雜性,以及獲取和處理資料以做出明智決策的需求...

物聯網(IoT)正在興起。智慧裝置正在釋放技術優勢,幫助人們創造附加價值,提高產業生產率。然而,物聯網也帶來了許多挑戰,例如新技術的複雜性,以及獲取和處理資料以做出明智決策的需求。換句話說,將產品特性轉化為系統解決方案是一項挑戰。

雖然定義物聯網的方法有很多種,但物聯網通常被稱為連接到網際網路的「物」網路。「物」是配備感測器、致動器、處理能力和連接性的實體對象。物聯網世界中的裝置通常被定義為「智慧裝置」。智慧部份主要是收集和解釋感測器資料的結果,用於觸發動作。這就需要連接到網際網路或專用雲端,以便裝置可以彼此互動,在網路內交換資料,並進行遠端控制。這樣,物聯網技術就可以幫助人們解決社會挑戰,為人們帶來好處,並提高產業生產率。

數十億台互連裝置已投入使用,預計未來這一數字將穩步成長(1a)。物聯網基礎設施是智慧家庭市場成長的最重要驅動力之一。根據Statista的資料,到2027年,全球家庭中的智慧裝置數量將會成長一倍(1b)。

Number of IoT connected devices worldwide 2019–2030 (in billions)

圖1a:2019-2030年全球物聯網互連裝置數量(以十億計)。

All product types included in the smart home analysis are set for huge growth in the near future.

圖1b:智慧家庭分析中包含的所有產品類型不久都將實現巨大成長。

釋放物聯網的力量

每個物聯網解決方案的核心都是微電子:感測器、致動器、微控制器(MCU)、通訊模組和安全元件。這些元件使系統能夠測量、處理相關環境數據,並連接到網際網路。然而,要建構成功的物聯網裝置,僅僅能存取物理模組還不夠。這些模組還必須能快速高效地整合到網路中,必須以智慧方式處理大量數據,並且建立穩定安全的雲端連接。

為了克服這些挑戰並進一步加速開發,英飛凌科技(Infineon Technologies)提供了一個專用的開發平台,工程師借助該平台能夠快速、輕鬆、安全地實施其物聯網理念。XENSIV連接感測器套件(CSK)是其首款物聯網感測器平台(2),支援基於雷達、環境感測器及其他感測器的快速原型設計和開發。希望快速設計、部署物聯網解決方案的客戶可以存取英飛凌的一體化開發生態系統,其中包含全面感測器庫以及感測器和連接用例的應用程式碼示例。所有這些特性使客戶能夠顯著縮短智慧家庭或智慧建築應用從概念驗證到完全開發物聯網設計的時間。Infineon’s XENSIV™ connected sensor kit (CSK) equipped with the XENSIV™ BGT60TR13C radar and XENSIV™ PAS CO2 sensor.

圖2:英飛凌XENSIV CSK配備XENSIV BGT60TR13C雷達和XENSIV PAS CO2感測器。

物聯網平台的建構模組

XENSIV CSK包括四個基本建構模組(3):Components featured on Infineon’s XENSIV™ connected sensor kit.

圖3:英飛凌XENSIV連接感測器套件中的元件。

感測

感測器賦予物聯網裝置如同人類般的感官,建立姿態感知。XENSIV DPS368氣壓、XENSIV BGT60TR13C雷達和XENSIV PAS CO2感測器已整合到CSK中。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元件,例如穩壓器、電壓轉換器和振盪器。這在設計和測試階段節省了大量時間和資源,降低了技術風險和BOM成本。

運算

MCU處理獲取的資料、做出決策,並協調與裝置的通訊。物聯網領域對MCU的要求與物聯網應用本身一樣極具多樣化。CSK採用PSoC 62,這是一款專為物聯網設計的低功耗、高性能32位元Arm MCU。應用程式碼示例透過ModusToolbox軟體環境提供,讓基於PSoC處理平台上的評估和開發工作更容易。程式碼示例包括三層:1. BSP(板級支援封裝),包括時脈、周邊裝置和參考評估板接腳的配置說明;2. 感測器驅動程式,包括與XENSIV感測器連接的函數;3. 演算法層,其中包括從感測器原始資料到經過處理的應用輸出的整個訊號處理鏈。

連接

基於以上的理念,英飛凌開發出專用於LED驅動電源的NFC控制晶片NLM0010和NLM0011,封裝是非常緊湊的SOT-23、5接腳封裝,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不同的光源設置,極大地簡化了設計和使用。為了使裝置能夠相互通訊,並與雲端實現通訊,模組需要連接到物聯網。

對於外形小巧的物聯網設計,該CSK提供了AIROC連接組合模組,在單晶片解決方案中整合了雙頻2.4GHz和5GHz Wi-Fi 4(802.11n)和藍牙5.0。關於軟體資產(在軟體實例部份),該方案使用CSK展示了MQTT客戶端實現。MQTT是物聯網中非常普及的開源發佈/訂閱通訊協議,因為它可以跨平台使用,同時佔用的頻寬最小。發佈器(端)和訂閱器(端)在空間上解耦(相互獨立)。客戶端連接到配置的MQTT代理:客戶端發送消息(發佈器)以傳達感測器事件,並從代理接收消息(訂閱器)。

安全

安全性是物聯網的基礎,只有在嵌入式系統有足夠的安全性和隱私性,才可能建立必要的信任,以增強和充份探索物聯網的可能性。英飛凌OPTIGA Trust M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以與安全晶片互動,還可以從相互驗證、安全通訊、資料儲存保護和安全OTA軟體更新等示例應用中受益。

支援CSK的用例

獲取、處理和解釋資料的能力,以及與其他裝置通訊、互連的能力,正在成為降低功耗、提高多種環境安全性,甚至讓我們的日常生活變得更加舒適的強大工具。

例如,一個要求頗高的智慧裝置功能是存在檢測,旨在通知附近是否有人類目標。照明、聲音、供暖、制冷、通風和門禁系統都可以從這些資訊中受益,並可以及時啟動,提高用戶舒適度,同時也能節省能源。英飛凌基於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。用戶與裝置的互動會變得更加自然,因為用戶無需再在感測元件前揮手以確保裝置做出反應。感測器整合和演算法開發是主要挑戰,但英飛凌的CSK可在這方面提供幫助,為存在檢測提供參考設計和可立即部署的用例。

另一個用例體現在醫療保健和健康方面:英飛凌的XENSIV BGT60TR13C雷達感測器可以檢測人體胸部由心肺活動引起的細微運動,並可確保持續監測呼吸和心跳,而無需與用戶直接接觸或記錄隱私敏感資訊。持續的生命徵象追蹤可用於提高我們的健康意識,也有助於醫療保健專業人員研究生命體徵信號與年齡、性別和生活習慣的關係。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:可以在家中持續監測老年人,從而減少去醫院和醫生診所就診的次數;也可以在夜間監測嬰兒,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感測器結合使用,可以實現持續的空氣質量監測。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1000ppm時,人們就開始感到困倦,難以集中注意力。如果CO2感測器在房間內的空氣質量惡化時能立即發出警告,那當然是件好事。然而,為了充份利用互連世界的可能性,CO2感測器預計會先將此類警告發送到自動化系統,之後再通過調節通風系統或自動打開窗戶來做出相應的反應。得益於按需控制的通風系統、空氣淨化器和恆溫器,配備即時CO2監測系統的智慧家居可以從改善的空氣品質和更加舒適的環境中受益。

需要考慮的一個方面是節能的巨大潛力,因為互連裝置只有在用戶處於範圍之內才能激啟動。歐盟約50%的能源消耗來自建築物和工業中的供暖和制冷系統。在建築物額外配備智慧恆溫器和建築物自動化系統時,節能效果會更好。Examples of innovative use cases enabled by the XENSIV™ connected sensor kit.

圖4:XENSIV連接感測器套件支援創新用例示例。

其中一些用例(4)已經作為可部署的物聯網解決方案在CSK中實施。工程師可以簡單地利用現有的程式碼示例探索無數未來應用,這些應用可為用戶帶來更多的舒適度和便利性,同時還更加環保。

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

結論

開發可靠的智慧解決方案需要多個元件協同工作——這對工程師來說是一項真正的挑戰,尤其是考慮到大量可選擇的製造商,以及掌握每個元件所需的深度知識。無線和嵌入式系統的相互作用不容忽視,安全、雲集成和能源管理也不容忽視。此外,必須收集、合併和處理環境資料,以控制互連裝置的行為和反應方式。因應所有這些挑戰非常耗時,而且需要大量專業知識。使用英飛凌的XENSIV連接感測器套件可以加速物聯網裝置的開發:該套件不僅可以收集準確、多樣的資料,還可以很好地利用態勢感知。

編譯:Franklin

(參考原文:From Presence Detection to Vital Sensing: How to Develop Your IoT Solution Quickly,by Alessandra Fusco)

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