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剖析重要的物聯網設計技術

2018-01-03 11:40:37作者:賽普拉斯來源:智能電子集成

[摘要] 本文主要介紹 BLE 無線鏈路、模擬前端、智能觸摸界面以及其他重要的物聯網設計技術。

             

無線連接技術的發展:

  基于物聯網的設備連接仍處于起步階段。這意味著,隨著新應用程式的涌現,顯著提高了微控制器(MCU)系統在速度、功耗、范圍和容量方面的需求。該領域的潛在商機打破了在設計方面的局限性。藍牙技術聯盟最新(特殊利益集團)宣布,藍牙5.0標準定位于電子產業對物聯網市場需求的典型布局。內容指出,全新的 BLE 標準可提供兩倍的傳輸速度、四倍的傳輸范圍以及廣播包的數據承載量是上一個版本的8倍。這些新的技術特性將極大地促進物聯網設備與我們日常生活間的各種連接。MCU作為物聯網設備的核心,必須與時俱進,緊跟協議的發展進程,支持新標準提供的各種特性。以下是即將推出的最新BLE標準的主要特性。

  · 速度(傳輸更快):藍牙5.0傳輸速度上限為2Mbps,是之前4.2版本的兩倍。

  · 傳輸距離(通信距離更遠):有效工作距離可達300米,是舊版本的4倍之多。

  · 低功耗(延長電池/設備工作時間):協議優化大大降低了能源消耗,提升了其性能。

  · 廣播能力(更大的承載量):協議優化將提升800%增長的數據廣播包的承載量。

  · 安全功能:高安全加密及認證,確保只允許經受權用戶跟蹤設備位置和安全配對。

  擴充處理器容量、內存及功耗方面的性能不會憑空而來。對于許多應用程序而言,底層硬件(例如MCU)需要做出相應調整以適應這些特性。因此,生產商在設計下一代MCU時必須時刻緊記這些要求。例如,賽普拉斯 PSoC 6 BLE MCU(見圖1)為物聯網設計人員提供BLE 5.0所具備的這些功能。

1.jpg圖1:PSoC 6 BLE子系統框圖


  盡管這些特點會增加MCU的負載,但也能為終端用戶帶來諸多好處:

  · 性能(范圍優勢):相比于基于物聯網的其他協議,如Wi-Fi及ZigBee,BLE已經成為無線通信協議的首選。改進過的覆蓋范圍將確保藍牙設備(如揚聲器、智能門鎖、燈泡等)可以在家里任意位置實現完全連接。這是真正實現智能家居的關鍵一步。BLE 5.0也有可能取代高功耗的Wi-Fi,控制智能家居設備。改進后的覆蓋范圍還能讓智能手表等設備更方便地接收來自智能手機的即時通知。

  · 低功耗(速度優勢):更快的轉輸速度提高了響應能力。對于那些非數據密集型物聯網設備來說,更快的速度意味著會帶來更低的消耗及更長的使用壽命。例如,將傳輸速度增加兩倍,發送/接收時間減少近一半。這樣就可以減少功耗,因為設備可以迅速進入低功耗模式。此外,更高的傳輸速度支持周期性的設備軟件更新,這將是物聯網應用的一個重要功能。

  · 無線連接服務(廣播容量優勢):廣播容量的顯著增加將使信息傳輸更加豐富和智能化,Beacon等無線連接服務將能夠傳輸更多的信息。舉例來說,Beacon可以傳輸實際內容,而不是通過URL指向內容。這可能將重新定義藍牙設備傳播信息的方式,因為它通過無需連接的物聯網傳輸信息,而非藍牙配對設備模式。這有可能讓資產跟蹤和智能垃圾管理等先進的應用更加智能地使用網狀網絡。

  智能觸摸界面:

  正如第一部分中所講到的,物聯網設備跨越消費類、工業、汽車和商業應用領域。這些應用都能受惠于美觀的的用戶界面,且具備產品差異化,如觸摸顯示屏、按鈕/滑塊以及近距離感應。為了讓用戶享受最佳體驗,觸摸顯示器還需支持手勢識別、防水、手腕感應及戴手套觸摸。這些特征都可以通過低功耗的電容感應技術實現,除此以外,觸摸感應還可以幫助優化功耗,例如使用近距離感應來檢測用戶何時使用設備。將電容感應集成在 MCU 中則無需單獨的專用傳感設備,此外,此項集成還可以提升功效、性能并且降低成本(參見圖2)。

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  圖2:集成BLE連接與電容式觸摸感應的PSoC 6

  電容感應是實現創新應用和提高產品特色的關鍵技術:

  智能家居開關─個人遠程控制家用設備可以為生活帶來帶來許多好處,智能家電也是如此。支持智能家電需要兩個關鍵的構建模塊:一、無線連接,用于將設備連接到云端;二、可以由多個源頭控制的智能開關,如云端、遙控、智能手機及/或用戶自身輸入指令。

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  圖3:電容感應的智能開關

  帶有電容感應的智能開關可以實現許多高級功能:

  1. 智能調光─電容感應滑塊為調光功能提供了一個直觀的物理接口。BLE使調光器具備無線連接功能,方便其放置在房屋內的任意位置。

  2. 存儲功能─MCU可以保存其內部存儲中選擇的亮度設置,并在電源中斷或后續使用時恢復設置。

  3. 安全性─智能開關的高壓交流部分與繼電器是隔離的,用戶實體操作界面部分只用于處理低功率DC,從而保證用戶安全。

  4. 照明功能─MCU可以在開關上提供LED照明,以便用戶在黑暗中找到開關。這一特性可以使用基于電容的近距離感應來啟動。

  5. 手勢功能─智能開關具有檢測近距離和觸摸手勢的能力,可輕松快速實現配置以運行特定任務。

  6. 控制功能─支持基于物聯網的MCU與電容式感應的開發生態系統,簡化了對開關的管理,并兼容多個來源控制。

  人體檢測 — 基于電容式感應技術,可以在特定的范圍內探測到包括人體在內的任何導電物質(由于質量的存在)。電容式感應技術豐富了物聯網(IoT)設備的功能特性趣味化。例如,出于安全性和低功耗因素考慮,可穿戴設備需要能夠檢測出設備是否被使用者配帶在手腕上。其工作原理非常簡單。當用戶佩戴設備時,電容式傳感器就會檢測到手腕上的手環進而觸發鎖定裝置,防止他人偷窺到其中的重要數據。同理,當用戶沒有佩戴設備時,則會進入低功耗運作模式。這些設計有助于延長電池壽命,同時,這也是任何可穿戴產品所需要考慮的重要因素。

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  圖 4 :電容式感應手腕檢測功能

  電容式觸摸滑塊— 滑塊是一種重要的用戶輸入機制,可幫助用戶輕松地與物聯網產品相互作用。相較于大屏幕設備而言,此功能特別適用于小型可穿戴式設備。考慮到這個屏幕可能很小,當用戶手指覆蓋在屏幕上時,難以觀看和更改參數或導航菜單。電容滑動模塊使用戶只需輕輕一掃就可以在不同的菜單/屏幕之間滑動。相同的滑塊電極可以被用作點電容式觸摸按鈕,用于輸入數據或選擇菜單項。下圖顯示了電容式觸摸滑塊的體現形式。

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  圖 5 :電容式觸摸滑塊

  電容式觸摸顯示屏 ─觸摸顯示屏為中型及大型的物聯網設備提供豐富的用戶界面。從微波爐到手持式醫療設備,從智能手表到工業控制器等等。通常,使用電容觸摸技術結合顯示屏上透明的銦錫氧化物層(ITO)來實現觸摸顯示屏。依據這種應用方式,電容式觸控技術要求能夠在潮濕的環境下工作。

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  圖6:電容式觸摸顯示屏

  基于手勢的輕薄用戶界面─ 特殊的手勢在提高用戶體驗方面發揮著關鍵作用。不同的手勢功能可幫助物聯網制造商區分其產品在市場上的地位。例如,一款無線藍牙揚聲器可直接通過不同的手勢來控制音量、上下曲等。手勢功能已逐漸成為用戶界面最簡單直觀的形式之一。智能手勢包括:向左右任意方向滑動、單擊、雙擊、長按鍵等等。設備可以由指定的用戶手勢“喚醒”,因此手勢功能不僅可以簡化UI,而且還能夠降低功耗。

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  圖7 :電容式觸控 / 手勢接近

  

             

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[責任編輯:黃文鳳]

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