物聯網應用正在以非常快的速度增長，并且在過去幾年中一直在影響著我們的生活。物聯網應用的潛在范圍是無窮無盡的，智能家居仍然是消費者中最受歡迎的物聯網應用。我們的家一天比一天智能。對智能家居設備的需求呈指數級增長，并預測到2023年我們將擁有超過10億臺設備。

智能家居是一個相對的術語，因為對于某些人來說，它只是意味著使用智能揚聲器和智能恒溫器，對于其他人來說，它可能包括智能燈泡，智能鎖或智能安全攝像頭。這些家用設備，如燈泡，相機和恒溫器已經存在了很長時間，但是什么讓它們現在變得智能呢？感知和適應性，直觀的用戶界面，與云的連接以及安全的執行環境是使它們智能化的主要因素。本文涵蓋了此類智能家居設計的各個方面，并介紹了如何實現它們。

在這一部分中，我們將介紹一般的智能家居市場趨勢，用戶界面和傳感要求。在第2部分中，我們將介紹用于智能家居市場的設備的連接和安全要求。

市場趨勢

物聯網技術正在將普通家庭轉變為智能家居。人們享有通過集成網絡控制整個房屋的權力。我們生活在一個智能設備根據天氣情況提醒我們攜帶雨傘的時代。對智能家居設備的需求呈指數級增長，并預測到2023年我們將擁有超過10億臺設備。

智能家居設備

人類之所以繁榮幾十萬年，是因為它們固有的品質：人與人之間的互動。對于人類來說，期望他們的設備和小工具的行為相似也就不足為奇了。小工具相互連接或連接到網絡的這種能力使它們更接近智能。需要智能控制器/處理器和連接設備來實現這些智能家居設備所需的功能。需求是使用集成盡可能多的功能的控制器，以最佳成本設計獨特的解決方案。最重要的功能包括具有豐富圖形用戶界面的顯示器、用于接收用戶和環境輸入的觸摸和感應、用于交換數據和云處理的連接、用于數據記錄的安全執行環境、經過驗證和加密的應用程序執行、無線安全 （OTA） 更新等。

顯示界面：以豐富的圖形用戶界面顯示。MCU 提供 RGB、英特爾 8080、SPI、I2C 等接口，用于驅動顯示器。

觸摸和感應以接收來自用戶和環境的輸入。需要具有集成觸摸功能的MCU和用于模擬和數字傳感器接口的靈活外設。

處理能力：MCU需要有一個像Cortex-M4這樣的處理器內核，以處理智能家居應用的廣泛處理需求。

與云和家庭中的其他設備交換數據的連接。WiFi和藍牙是云和本地連接最受歡迎的接口。

用于存儲、操作和通信的安全執行環境。

顯示和圖形

用戶界面是最重要的功能之一，因為這是用戶與智能設備之間的第一個接觸點。大多數智能設備提供多種與用戶交互的方法，包括內置顯示器，智能手機，遙控器，語音控制等。具有內置顯示器的設備是最受歡迎的，因為用戶可以交互而無需使用其他額外設備，從而節省了成本。通常，內置顯示器具有觸摸功能，具有信息豐富的GUI，使設備易于用戶使用。

串行外設接口（SPI）、內部集成電路（I2C）、RGB（紅綠藍）、移動工業處理器接口（MIPI）等是一些趨勢顯示接口。每種類型在使用的引腳、帶寬、顯示大小和刷新率方面都有自己的優勢。

RGB接口在智能家居應用的顯示接口中非常受歡迎，因為它可以在合理的顏色深度和良好的刷新率下驅動中型顯示器，同時具有成本效益。但是，驅動RGB接口通常需要在MCU中實現專用的圖形IP。通常，MCU不附帶集成控制器。那些具有集成圖形IP的MCU往往成本更高，并且對于智能家居應用來說往往有些過頭了。

在本文中，我們將解釋一種使用簡單的MCU外設（無需CPU干預）驅動這些顯示器的創新方法，從而為此問題提供一種經濟高效的方法。在演示如何在沒有專用昂貴圖形IP的情況下使用MCU實現顯示控制器之前，讓我們花一些時間了解RGB接口。RGB 接口是直接驅動顯示器的紅色、綠色和藍色像素的并行接口。它需要2組信號，稱為控制信號和像素數據。控制信號包括垂直同步、水平同步、數據使能和多特克時鐘。控制信號如下圖3所示。

如果我們仔細觀察這些信號，我們可以看到這些信號是以特定方式同步的PWM。確定像素顏色的像素數據必須與dotclock和數據啟用同步發送到顯示器。這可以使用 DMA 完成。除了 PWM 和 DMA 之外，還需要一些邏輯來實現控制信號。圖 4 顯示了使用 PSoC 6 連接器件的一個此類實現，該實現使用 PWM、DMA 和智能 IO（用于邏輯功能）。

有幾種方法可以通過交換PWM模塊的位置來獲得相同的結果。這一切都歸結為底層芯片提供的內容和數量的IP。您可能還會注意到圖 4 中放置的邏輯 AND 塊。它可以被執行所需 AND 操作的任何硬件塊替換（如 PSoC 6 中的智能 IO）。模塊之間的同步（以及最終控制信號之間的同步）是通過公共源時鐘和PWM的對準來實現的。應該注意的一個重要因素是，此實現需要零 CPU 利用率來持續驅動顯示器。

現在硬件實現已經準備就緒，我們需要適當的固件來完成圖形接口。有很多嵌入式圖形庫可以處理圖形操作;一個這樣的例子是 emWin 圖形庫。此庫只需要一個驅動程序即可與硬件通信。庫提供的API為用戶抽象出底層圖形硬件，大大簡化了GUI設計。

觸摸屏

觸摸屏徹底改變了我們與設備交互的方式。它們非常直觀和方便，用戶無需任何學習或培訓即可進行操作。對于許多OEM來說，僅此一點就是在智能設備中使用觸摸屏的主要驅動因素。兩種最流行的觸摸屏類型是電阻式和電容式。

電阻式觸摸的工作原理是使頂層在被觸摸時與底層接觸。這關閉了一個電路，給出了觸摸點。電阻式觸摸通常用于單點觸摸檢測。電容式觸摸的工作原理是檢測觸摸時感應層上的電容變化。與電阻式觸摸相比，電容式觸摸可以檢測多個觸摸點，并且需要更少的物理力。電容式觸摸屏是智能家居應用中最常用的屏幕。一些MCU提供集成解決方案，用于與電容式觸摸屏/屏幕（即PSoC 6 MCU中的CapSense外設）進行交互。

智能家居應用中的觸摸感應

鑒于電容式觸摸技術的易用性、耐用性和響應性，電阻式屏幕已成為過去。如今，問題不在于選擇電阻式或電容式觸摸屏，而在于在具有給定要求的應用中使用何種級別的電容式觸摸解決方案。電容式觸摸屏解決方案的范圍從簡單、經濟高效的單點觸控解決方案到具有防水和懸停支持功能豐富的多點觸控解決方案。

對于恒溫器或咖啡機等設備所需的簡單智能家居圖形用戶界面，首選更簡單，更具成本效益的實現。或者，更復雜的GUI（例如運行完整操作系統的智能家居中央控制器）需要功能豐富的實現，以使用戶能夠訪問所有可用功能。最后，這是在成本與觸摸屏提供的功能之間進行權衡。

許多 OEM 提供集成電容感應的 MCU，以簡化設計并降低系統成本。例如，PSoC 6 MCU系列提供了智能家居應用所需的全系列電容式觸摸解決方案。它為簡單的單點觸摸解決方案提供 CSD 自電容方法，為多點觸摸解決方案提供 CSX 互電容方法，并為兩者提供動態組合，以提供具有防水、接近和懸停支持的多點觸控解決方案。根據應用的不同，抗噪聲性（信噪比）和防水性可能是一個重要的考慮因素。從軟件的角度來看，使用直觀的工具也很重要。例如，CapSense 配置器和中間件庫與 Modus 工具盒 IDE 相結合，極大地簡化了觸摸傳感的實現。

由于觸摸和圖形是相輔相成的，嵌入式圖形庫通常還具有用于處理觸摸的 API。用戶應用程序應通過觸摸庫獲取觸摸點的 x-y 坐標，然后將這些坐標傳遞給圖形庫以執行預期的操作。圖形庫還提供了用于創建智能家居設備所需 UI 的工具。

此外，接近檢測還廣泛用于將器件從低功耗模式喚醒。這可確保在不使用設備時關閉顯示和觸摸處理。電容式觸摸處理通常能夠使用相同的傳感器處理接近度。

感知環境

使智能家居設備取得成功的因素之一是它們能夠在沒有人機交互的情況下感知周圍環境。通過了解其周圍環境，設備可以讓算法進行解釋，并為用戶提供合適的選擇。一些廣泛使用的傳感器及其應用是：

運動傳感器：用于家庭安全系統。如果在意外時間出現運動，則向所有者發出警報。

溫度傳感器：用于恒溫器和閉環溫度控制系統。

環境光傳感器：用于花園和其他感興趣區域的自動照明系統。

煙霧傳感器：用于自動滅火器。

土壤濕度傳感器：用于植物自動澆水系統;智能園藝

傳感器提供數據，MCU進行實際處理。傳感器大致可分為模擬和數字傳感器。模擬傳感器以模擬電壓/電流的形式提供檢測數據，數字傳感器根據配置的范圍以數字計數的形式提供檢測數據。

要讀取模擬數據，您需要一個ADC（模數轉換器）。大多數MCU（如PSoC 6）都提供集成的ADC，用于在內部執行這種模數轉換。有時，模擬信號在轉換前可能必須經過一些預處理（如放大、濾波等）。如果OPAmp等可編程外設是MCU本身的一部分，則預處理也可以在內部進行。

許多傳感器都有額外的電路來處理模擬數據并以數字方式輸出。該數字數據通常通過串行通信總線發送。這不僅減輕了MCU端的處理負擔，而且可以更快地對數據進行采樣。數字傳感器的主要缺點是由于其額外的電路而成本較高。

綜上所述，如果您擔心設計成本和面積，選擇可以有效處理模擬數據的MCU更具成本效益。MCU還應通過其外設的可配置性和可編程性來靈活地調整它們以滿足應用的要求。

審核編輯：郭婷