在第 1 部分中，我們介紹了一般智能家居市場趨勢、用戶界面和傳感要求。在這一部分中，我們將介紹智能家居應用程序的連接和安全要求。

連接

搬出房間，燈自動熄滅;門攝像頭檢測到包裹，立即發送通知;用完雜貨，冰箱為您下訂單。哇因素！這就是連通性的意義所在。您看到小工具執行的所有魔力都取決于連接性。設備之間的連接以及與云的連接是智能家居設備的必要條件。連接模式可以是有線或無線。無線因其明顯的優勢而被廣泛使用。

LPWAN，蜂窩，Zigbee，藍牙，Wi-Fi和RFID涵蓋了智能家居應用的大多數無線技術。Wi-Fi 和藍牙是智能家居設備中廣泛采用或事實上的連接選擇，因為它們在帶寬、吞吐量、范圍和功耗方面具有多功能性。藍牙用于低帶寬、短距離和低功耗應用。另一方面，Wi-Fi用于需要互聯網連接的高帶寬和遠程應用。在一個系統中，藍牙和Wi-Fi可以共存以克服另一個的缺點（例如CYW43012） 家庭中的電池供電設備使用藍牙作為相互通信的媒介，然后藍牙到 Wi-Fi 橋接使這些設備能夠連接到互聯網。許多MCU將無線連接作為其SIP封裝的一部分。這不僅節省了成本，還節省了芯片占用的面積。此外，它還在物理上保護了MCU和連接芯片之間的通信通道。

智能家居中的 WiFi 連接實現示例

考慮一個用例，其中有多個傳感器監控整個家庭的濕度、溫度、土壤濕度等。恒溫器、加濕器和工廠水控制器等多個控制器使用這些傳感器的數據。房屋內的這些傳感器和控制器可以使用藍牙或藍牙低功耗（BLE）連接與用戶智能手機或運行Google Home或Amazon Alexa的統一控制器進行通信。該控制器將反過來將傳感器網絡連接到互聯網，從而實現遠程控制和監控。雖然位于房間中的傳感器可能受到電源限制，但這些控制器通常可以使用墻壁電源。這將決定我們為智能家居環境中的每個設備選擇的設備類型。傳感器需要超低功耗BLE控制器，如PSoC 6 BLE，而控制器可以在單個封裝（如CYW9P62S1-43012EVB-01SIP封裝）中包含帶有MCU、WiFi和BT的SIP，以提供控制器應用所需的額外處理和功能。

庫和RTOS環境使優先安排任務變得更加容易，使單個MCU處理和協調所有操作。具有顯示器、觸摸感應和無線連接功能的設備可以適用于各種智能家居應用。智能恒溫器、智能咖啡機、智能冰箱等就是最好的例子。

安全

我們討論的所有功能只會使設備智能。隨著連接的多功能性，安全威脅的缺點也隨之而來。安全威脅的范圍從簡單的數據盜竊到惡意固件或應用程序執行，可能會危及整個系統，進而危及房屋。因此，設備及其執行環境也必須是安全的。

首先，在安全方面，主要重點是確保通信網絡的安全。對于安全網絡，底層通信芯片應具有WPA和WPA2（個人）支持，以實現強大的加密和身份驗證，以及WLAN硬件中的AES，以實現更快的數據加密和IEEE 802.11i兼容性。使用低功耗藍牙的設備應具有硬件支持的安全連接，以實現最高級別的藍牙網絡安全。除了這些網絡安全骨干之外，還應使用證書等其他安全功能來驗證智能系統正在與之通信的設備/服務器。許多物聯網MCU為外部存儲提供基于硬件的加密數據記錄，以實現額外的安全存儲。

無線 （OTA） 更新形成了另一類安全增強器。它有助于將重要的安全補丁應用于正在運行的應用程序，甚至應用于無線主機/控制器固件。OTA 還引入了新功能，并允許設備在市場上更具相關性。安全存儲、安全操作和安全通信應該是任何基于智能家居的應用的指導方針。

對于具有可升級固件的任何應用程序，首要要求是確保它運行來自預期來源的真實固件。此外，根據安全要求，升級或補丁也需要加密。這些身份驗證和加密過程本身應該是防篡改的。這需要從 MCU 硬件中的啟動開始的信任根流，例如使用帶有防篡改硬編碼密鑰的不可編程代碼啟動 MCU。這將確保使用密鑰的引導代碼執行的加密和身份驗證過程始終是可信的。

一旦建立了信任根，身份驗證和加密過程提供的安全級別就會發揮作用。公鑰-私鑰算法（如 RSA 或橢圓曲線算法）與 SHA 相結合可用于安全身份驗證，AES 算法可用于加密。與任何加密算法一樣，密鑰非常重要，需要安全地保護/存儲。MCU 需要集成的硬件支持來提供信任根和保護密鑰。例如，PSoC 64 將安全性與連接、處理和外圍設備集成在一起。它采用雙核方法，其中安全 M0+ 內核運行受信任的環境并處理所有安全執行，而非安全 M4 內核運行智能家居系統的經過身份驗證的用戶應用程序。

雖然在設備中執行經過身份驗證的代碼很重要，但保護與存儲此信息的外部存儲器的連接也很重要。這些信息可能并非在所有情況下都是敏感的。但是，對于那些存儲敏感信息（如傳感器數據日志、固件更新補丁，甚至是從外部存儲器執行的代碼）的應用，最好通過存儲器接口使用加密機制。提供動態加密和解密的MCU被認為是一個額外的優勢。這種加密機制可確保存儲在外部存儲器中的數據是安全的，即使黑客拿到了硬件。對于外部存儲器中的代碼執行，首選動態加密/解密機制。例如，PSoC 6 器件系列通過四通道 SPI 存儲器接口提供動態 AES 加密/解密機制，以及用于高級加密/解密選項的單獨專用加密硬件。

集成解決方案（圖形、觸摸、感知和無線系統）：

到目前為止，我們討論的各個功能使智能家居設備對市場非常有吸引力。所有這些功能在單獨使用時都能很好地工作，但將它們集成在一起需要大量的設計關注。最大的挑戰是在不增加整體系統成本的情況下構建一個提供最佳性能和系統安全性的系統。所有MCU都具有有限的閃存、有限的存儲器、有限的外設和有限的CPU時間來執行任何操作。在設計如此復雜的系統時，這些有限資源的分配決定了智能小工具的最終性能。

構建集成解決方案的挑戰：

1.整合

第一個挑戰是將所有功能集成到應用程序中。通過將不同的芯片用于單個功能，例如WiFi連接，MCU處理，用戶界面等，需要為單個芯片及其組件提供額外的空間，芯片之間的通信開銷以及影響上市時間的不同開發平臺開銷。值得研究提供各種功能集成的解決方案/芯片 - 這降低了成本和上市時間。CYW9P62S1-43012EVB-01等器件是為物聯網應用構建集成架構的一個很好的例子。

2.性能

下一個挑戰是滿足性能要求以及集成。性能要求可能因連接性能到用戶界面響應能力而異。這就是需要權衡集成價值的地方。當您將更多內容集成到單個芯片中時，系統的性能方面開始受到影響。為了滿足性能要求，同時享受集成需要多核芯片架構，其中每個內核負責單獨的功能，例如WiFi連接相關的處理，一般應用程序處理，安全性和UI處理等。

在實際方案中，所有功能不需要同時以峰值性能運行。例如，當沒有人嘗試與設備交互時，無需分配資源來處理用戶界面。可以在空閑時間預先處理必要的后臺數據，并且可以在使用過程中卸載任務。這就是接近傳感器和其他傳感器派上用場的地方：可以處理來自這些傳感器的數據，以將資源分配給僅在該時刻需要的任務。例如，觸摸處理只能在接近或觸摸檢測（聯動傳感器）上啟動。可用的資源與設計師分配它們一樣好。通過仔細分析系統在不同時刻的需求并僅在需要時分配資源是獲得峰值系統性能的關鍵因素。

3.安全

最后，隨著智能家居和物聯網成為技術的未來，對安全實施的需求正在上升。集成架構的另一個優勢是外設的硬件探測范圍有限，否則這在多芯片實現中是不可能的。此外，確保應用程序的安全操作環境將是應對和克服這一挑戰的關鍵。將PSoC 6和 CYW43012 集成到單個封裝CYW9P62S1-43012中的實現示例如圖 3 所示。

圖 3：實現示例

審核編輯：郭婷