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從存在檢測到生命感應:英飛凌解決物聯(lián)網(wǎng)系統挑戰

發(fā)布時(shí)間:2022-10-17 來(lái)源:英飛凌Alessandra Fusco 責任編輯:lina

【導讀】物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 正在興起。智能設備正在釋放技術(shù)優(yōu)勢,幫助人們創(chuàng )造附加值,提高行業(yè)生產(chǎn)率。然而,物聯(lián)網(wǎng)也帶來(lái)了許多挑戰,例如新技術(shù)的復雜性,以及獲取和處理數據以做出明智決策的需求。


物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 正在興起。智能設備正在釋放技術(shù)優(yōu)勢,幫助人們創(chuàng )造附加值,提高行業(yè)生產(chǎn)率。然而,物聯(lián)網(wǎng)也帶來(lái)了許多挑戰,例如新技術(shù)的復雜性,以及獲取和處理數據以做出明智決策的需求。換句話(huà)說(shuō),將產(chǎn)品特性轉化為系統解決方案是一項挑戰。英飛凌通過(guò)提供基于XENSIV? 連接傳感器套件的可立即部署的解決方案來(lái)應對這些挑戰。該套件是一個(gè)原型平臺,用于簡(jiǎn)化和加速新應用和創(chuàng )新用例的開(kāi)發(fā)。


雖然定義物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的方法有很多種,但物聯(lián)網(wǎng)通常被稱(chēng)為連接到互聯(lián)網(wǎng)的“物”網(wǎng)絡(luò )?!拔铩笔桥鋫鋫鞲衅?、執行器、處理能力和連接性的物理對象。物聯(lián)網(wǎng)世界中的設備通常被定義為“智能設備”。智能部分主要是收集和解釋傳感器數據的結果,用于觸發(fā)動(dòng)作。這就需要連接到互聯(lián)網(wǎng)或專(zhuān)用云,以便設備可以相互交互,在網(wǎng)絡(luò )內交換數據,并進(jìn)行遠程控制。這樣,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就可以幫助人們解決社會(huì )挑戰,為人們帶來(lái)好處,并提高行業(yè)生產(chǎn)率。


數十億臺互聯(lián)設備已投入使用,預計未來(lái)這一數字將穩步增長(cháng) (圖 1a)。物聯(lián)網(wǎng)基礎設施是智能家居市場(chǎng)增長(cháng)的最重要驅動(dòng)力之一。根據 Statista 的數據,到 2027 年,全球家庭中的智能設備數量將會(huì )翻一番 (圖 1b)[1]。


從存在檢測到生命感應:英飛凌解決物聯(lián)網(wǎng)系統挑戰

圖 1a.2019-2030 年全球物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設備數量(以十億計)


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圖 1b.智能家居分析中包含的所有產(chǎn)品類(lèi)型都將在不久的將來(lái)實(shí)現巨大增長(cháng)


釋放物聯(lián)網(wǎng)的力量


每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的核心都是微電子:傳感器、執行器、微控制器、通信模塊和安全組件。這些組件使系統能夠測量、處理相關(guān)環(huán)境數據,并連接到互聯(lián)網(wǎng)。然而,要構建成功的物聯(lián)網(wǎng)設備,僅僅能訪(fǎng)問(wèn)物理模塊還不夠。這些模塊還必須能快速高效地集成到網(wǎng)絡(luò )中,必須以智能方式處理大量數據,必須建立穩定安全的云連接。


從存在檢測到生命感應:英飛凌解決物聯(lián)網(wǎng)系統挑戰

圖 2.英飛凌 XENSIV? 連接傳感器套件 (CSK) 配備了 XENSIV? BGT60TR13C 雷達 和 XENSIV? PAS CO2 傳感器。


為了克服這些基本挑戰并進(jìn)一步加速開(kāi)發(fā),英飛凌提供了一個(gè)專(zhuān)用的開(kāi)發(fā)平臺,工程師借助該平臺能夠快速、輕松、安全地實(shí)施其物聯(lián)網(wǎng)理念。XENSIV? 連接傳感器套件 (CSK) 是英飛凌的第一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器平臺(圖 2),支持基于英飛凌雷達、環(huán)境傳感器及其他傳感器的快速原型設計和開(kāi)發(fā)。希望快速設計、部署物聯(lián)網(wǎng)解決方案的客戶(hù)可以訪(fǎng)問(wèn)英飛凌的一體化開(kāi)發(fā)生態(tài)系統,其中包含全面傳感器庫以及傳感器和連接用例的應用代碼示例。所有這些特性使客戶(hù)能夠顯著(zhù)縮短智能家居或智能樓宇應用從概念驗證到完全開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)設計的時(shí)間。


從存在檢測到生命感應:英飛凌解決物聯(lián)網(wǎng)系統挑戰

圖 3.英飛凌 XENSIV? 連接傳感器套件中的組件


英飛凌物聯(lián)網(wǎng)平臺的構建塊


XENSIV? 連接傳感器套件 (CSK) 包括四個(gè)基本構建塊(圖 4):


從存在檢測到生命感應:英飛凌解決物聯(lián)網(wǎng)系統挑戰

圖 4.XENSIV? 連接傳感器套件支持的創(chuàng )新用例示例


感測:傳感器賦予物聯(lián)網(wǎng)設備人類(lèi)感官,建立態(tài)勢感知。在英飛凌眾多傳感器產(chǎn)品組合中,XENSIV? DPS368 氣壓、XENSIV? BGT60TR13C 雷達和 XENSIV? PAS CO2 傳感器已集成到 CSK 中。以后將會(huì )繼續添加其他傳感器實(shí)現。在參考設計中的感測元件極具特色,同時(shí)也包括所有必要的組件,例如穩壓器、電壓轉換器和振蕩器 [2]。這在設計和測試階段節省了大量時(shí)間和資源,降低了技術(shù)風(fēng)險和 BOM 成本。


計算:微控制器 (MCU) 處理獲取的數據、做出決策,并協(xié)調與設備的通信。物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域對微控制器的要求與物聯(lián)網(wǎng)應用本身一樣極具多樣化。CSK 采用 PSoC? 62,這是一款專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)設計的低功耗、高性能 32 位 Arm? MCU。應用代碼示例通過(guò) ModusToolbox? 軟件環(huán)境提供,可以讓基于PSoC 處理平臺上的評估和開(kāi)發(fā)工作更容易。代碼示例包括三層:1. BSP(板級支持包),包括時(shí)鐘、外設和參考評估板引腳的配置說(shuō)明;2. 傳感器驅動(dòng)程序,包括與 XENSIV? 傳感器連接的函數;3. 算法層,其中包括從傳感器原始數據到經(jīng)過(guò)處理的應用輸出的整個(gè)信號處理鏈。


連接:為了使設備能夠相互通信,并與云實(shí)現通信,模塊需要連接到物聯(lián)網(wǎng)。對于外形小巧的物聯(lián)網(wǎng)設計,英飛凌的 CSK 提供了 AIROC? 連接組合模塊,在單芯片解決方案中集成了雙頻 2.4 GHz 和 5 GHz Wi-Fi 4 (802.11n) 和藍牙? 5.0。關(guān)于軟件資產(chǎn)(在軟件實(shí)例部分),我們使用 CSK 演示了 MQTT 客戶(hù)端實(shí)現。MQTT 是物聯(lián)網(wǎng)中非常流行的開(kāi)源發(fā)布/訂閱通信協(xié)議,因為它可以跨平臺使用,同時(shí)占用的帶寬最小。發(fā)布器(端)和訂閱器(端)在空間上解耦(相互獨立)??蛻?hù)端連接到配置的 MQTT 代理:客戶(hù)端發(fā)送消息(發(fā)布器)以傳達傳感器事件,并從代理接收消息(訂閱器)。用戶(hù)無(wú)需為客戶(hù)端識別生成證書(shū)和密鑰;這塊由英飛凌負責幫您實(shí)現。


安全:安全性是物聯(lián)網(wǎng)的基礎,因為只有在嵌入式系統中有足夠的安全性和隱私性,才有可能建立必要的信任,以增強和充分探索物聯(lián)網(wǎng)的可能性。這便是英飛凌 OPTIGA? Trust M 的優(yōu)勢所在,它為嵌入式安全解決方案和使用 CSK 時(shí)的安全移動(dòng)連接提供了理想的解決方案。運行 OPTIGA? Trust M 設置時(shí),即可以從主機庫中受益,主機庫專(zhuān)用 API 以與安全芯片交互,還可以從相互驗證、安全通信、數據存儲保護和安全 OTA 軟件更新等示例應用中受益。


支持 CSK 的用例


獲取、處理和解釋數據的能力,以及與其他設備通信、互連的能力,正在成為降低功耗、提高多種環(huán)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(gè)要求頗高的智能設備功能是存在檢測,旨在通知附近是否有人類(lèi)目標。照明、聲音、供暖、制冷、通風(fēng)和門(mén)禁系統都可以從這些信息中受益,并可以及時(shí)激活,提高用戶(hù)舒適度,同時(shí)也能節省能源。英飛凌基于雷達的高靈敏度存在檢測解決方案不僅能夠檢測宏觀(guān)運動(dòng),還能夠檢測微觀(guān)運動(dòng)。用戶(hù)與設備的交互會(huì )變得更加自然,因為用戶(hù)無(wú)需再在感測元件前揮手以確保設備做出反應。傳感器集成和算法開(kāi)發(fā)是主要挑戰,但英飛凌的 CSK 可以在這方面提供幫助,可為存在檢測提供參考設計和可立即部署的用例。


另一個(gè)用例體現在醫療保健和健康方面:英飛凌的 XENSIV? BGT60TR13C 雷達傳感器可以檢測人體胸部由心肺活動(dòng)引起的細微運動(dòng)。英飛凌的雷達解決方案可確保持續監測呼吸和心跳,而無(wú)需與用戶(hù)直接接觸或記錄隱私敏感信息。持續的生命體征跟蹤可用于提高我們的健康意識,也有助于醫療保健專(zhuān)業(yè)人員研究生命體征信號與年齡、性別和生活習慣的關(guān)系。該解決方案提供了有關(guān)不同人群健康和幸福感的及時(shí)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(wú)需再經(jīng)常查看育兒室。


CSK 與 XENSIV? PAS CO2傳感器結合使用,可以實(shí)現持續的空氣質(zhì)量監測。通風(fēng)不良會(huì )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(huì )對健康和工作效率產(chǎn)生負面影響:當濃度達到 1000 ppm 時(shí),人們就開(kāi)始感到困倦,難以集中注意力。如果 CO2 傳感器在房間內的空氣質(zhì)量惡化時(shí)能立即發(fā)出警告,那當然是件好事。然而,為了充分利用互聯(lián)世界的可能性,CO2 傳感器預計會(huì )先將此類(lèi)警告發(fā)送到自動(dòng)化系統,之后再通過(guò)調節通風(fēng)系統或自動(dòng)打開(kāi)窗戶(hù)來(lái)做出相應的反應。得益于按需控制的通風(fēng)系統、空氣凈化器和恒溫器,配備實(shí)時(shí) CO2 監測系統的智能家居可以從改善的空氣質(zhì)量和更加舒適的環(huán)境中受益。


需要考慮的一個(gè)方面是節能的巨大潛力,因為互聯(lián)設備只有在用戶(hù)處于范圍之內才能激活。歐盟 [3] 約 50% 的能源消耗來(lái)自樓宇和工業(yè)中的供暖和制冷系統。例如,配備英飛凌 CO2 傳感器的通風(fēng)系統可節省高達 55% 的能耗 [4][5]。在樓宇額外配備智能恒溫器和樓宇自動(dòng)化系統時(shí),節能效果會(huì )更好。


從存在檢測到生命感應:英飛凌解決物聯(lián)網(wǎng)系統挑戰

圖 5.ModusToolbox?中的 XENSIV? 連接傳感器套件軟件堆棧


其中一些用例(圖 5)已經(jīng)作為可部署的物聯(lián)網(wǎng)解決方案在 CSK 中實(shí)施。然而,英飛凌的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺已經(jīng)為新的用例實(shí)施做好了準備:工程師可以簡(jiǎn)單地利用現有的代碼示例來(lái)探索無(wú)數未來(lái)應用,這些應用可為用戶(hù)帶來(lái)更多的舒適度和便利性,同時(shí)還更加環(huán)保。


結論


開(kāi)發(fā)可靠的智能解決方案需要多個(gè)組件協(xié)同工作——這對工程師來(lái)說(shuō)是一項真正的挑戰,尤其是考慮到大量可選擇的制造商,以及掌握每個(gè)組件所需的深度知識。無(wú)線(xiàn)和嵌入式系統的相互作用不容忽視,安全、云集成和能源管理也不容忽視。此外,必須收集、合并和處理環(huán)境數據,以控制互聯(lián)設備的行為和反應方式。應對所有這些挑戰非常耗時(shí),而且需要大量專(zhuān)業(yè)知識。使用英飛凌的 XENSIV? 連接傳感器套件可以加速物聯(lián)網(wǎng)設備的開(kāi)發(fā):該套件不僅可以收集準確、多樣的數據,還可以很好地利用態(tài)勢感知。


Alessandra Fusco

高級工程師系統應用


Alessandra Fusco 是一位經(jīng)驗豐富的系統應用工程師,目前在慕尼黑英飛凌科技股份有限公司擔任物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統組的技術(shù)主管。她專(zhuān)門(mén)研究消費類(lèi)應用的算法和系統設計,目前正在研究結合傳感器、邊緣分析和連接的創(chuàng )新型應用解決方案,該方案適用于從使用超聲波的目標跟蹤到使用雷達的生命感應算法開(kāi)發(fā)等應用。過(guò)去,Alessandra 的研究范圍涵蓋了從構思到解決方案上市部署的整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。


文獻


[1] Statista,家庭變得越來(lái)越智能 https://www.statista.com/chart/27324/households-with-smart-devices-global-iot-mmo/

[2] 有關(guān) KIT_CSK_BGT60TR13C https://www.infineon.com/cms/en/product/evaluation-boards/kit_csk_bgt60tr13c/ 和 KIT_CSK_PASCO2https://www.infineon.com/cms/en/product/evaluation-boards/kit_csk_pasco2/的更多詳細信息,請參閱《用戶(hù)手冊》。

[3] 歐盟委員會(huì ),供暖和制冷。https://energy.ec.europa.eu/topics/energy-efficiency/heating-and-cooling_en

[4] 通過(guò)環(huán)境感測進(jìn)行占用檢測,Jin 人。2016

[5] 占用驅動(dòng)恒溫器對住宅樓宇的節能影響,Wang 等人。2020

(來(lái)源:中電網(wǎng),作者:Alessandra Fusco英飛凌科技股份有限公司系統應用工程師)



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