?家庭物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)?是指通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將家庭中的各種設(shè)備(如智能照明、安防、環(huán)境控制、音響娛樂(lè)系統(tǒng)等)連接成一個(gè)智能化的生態(tài)系統(tǒng)。用戶可以通過(guò)手機(jī)APP、語(yǔ)音助手等終端遠(yuǎn)程控制設(shè)備，甚至根據(jù)時(shí)間、環(huán)境參數(shù)自動(dòng)調(diào)整設(shè)備狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)能、安全、舒適的目的?1。

核心技術(shù)和關(guān)鍵組件

?傳感器技術(shù)?：傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)元件，用于感知環(huán)境中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、人體移動(dòng)等信息，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)發(fā)送給云平臺(tái)?1。

?無(wú)線通信技術(shù)?：如Wi-Fi、藍(lán)牙、4G、NB-IoT等，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)的關(guān)鍵?12。

?云計(jì)算與大數(shù)據(jù)?：云平臺(tái)具備數(shù)據(jù)處理分析、報(bào)表查詢、數(shù)據(jù)下載等功能，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析可以學(xué)習(xí)用戶習(xí)慣，優(yōu)化設(shè)備控制策略，提供個(gè)性化服務(wù)?12。

?人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)?：AI技術(shù)使得智能家居系統(tǒng)能夠?qū)W習(xí)用戶偏好，自動(dòng)調(diào)整家居環(huán)境?2。

?邊緣計(jì)算?：為了降低延遲，提高響應(yīng)速度，邊緣計(jì)算技術(shù)被引入智能家居系統(tǒng)，使得部分?jǐn)?shù)據(jù)處理和分析在本地設(shè)備或邊緣服務(wù)器上完成?2。

系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)流程

智能家居物聯(lián)網(wǎng)解決方案通常包括設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。設(shè)備層是各種智能設(shè)備;網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸;平臺(tái)層提供設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析等服務(wù);應(yīng)用層則是用戶交互界面，如手機(jī)APP、電腦網(wǎng)頁(yè)/軟件等?1。在設(shè)備選型與集成階段，關(guān)鍵在于確保所有智能設(shè)備能夠無(wú)縫接入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。采用統(tǒng)一的設(shè)備管理云平臺(tái)，具備設(shè)備注冊(cè)、配置、狀態(tài)監(jiān)控及故障預(yù)警等功能，簡(jiǎn)化設(shè)備管理復(fù)雜度，提高運(yùn)維效率?1。

應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)勢(shì)

?智能安防?：通過(guò)智能門鎖、攝像頭、門窗傳感器等設(shè)備，構(gòu)建全方位的安全防護(hù)網(wǎng)，有效保障家庭安全?2。

?環(huán)境自適應(yīng)?：智能溫控系統(tǒng)可根據(jù)室內(nèi)外溫差自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)、加濕器等設(shè)備，智能照明系統(tǒng)則能根據(jù)時(shí)間、光線強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度?2。

?健康管理?：智能床墊監(jiān)測(cè)睡眠質(zhì)量，智能鏡子分析皮膚狀況，智能體重秤記錄體重變化，提供個(gè)性化的健康管理建議?2。

?娛樂(lè)休閑?：智能音響、智能電視等設(shè)備通過(guò)語(yǔ)音控制即可播放音樂(lè)、電影，甚至根據(jù)用戶喜好推薦內(nèi)容?2。

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)計(jì)人員能夠因應(yīng)各種應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，但有越來(lái)越多的人并不滿意僅支持一種無(wú)線連接技術(shù)的通訊協(xié)議。這種情況在智慧家庭中最常見(jiàn)，因?yàn)槿狈?biāo)準(zhǔn)(或者更確切地說(shuō)，它們其實(shí)也很多余)使得產(chǎn)品必須以各種方式進(jìn)行連接。甚至還有些工業(yè)系統(tǒng)也可以利用多模無(wú)線技術(shù)。這些情況正推動(dòng)著對(duì)于具有多種無(wú)線功能的處理器需求。

Nest Protect煙霧探測(cè)器就是一個(gè)很好的例子。它采用Wi-Fi連接到家中路由器，裝置中還包括藍(lán)牙(Bluetooth)無(wú)線電，讓用戶能在安裝之前直接從手機(jī)或平板電腦配置產(chǎn)品。而在停電期間，這款以電池供電的裝置采用專有的802.15.4協(xié)議——Nest Weave，持續(xù)在家中進(jìn)行通信，而用戶則可以透過(guò)藍(lán)牙將手機(jī)的鬧鐘設(shè)定為靜音。這種多模無(wú)線技術(shù)的組合確保了優(yōu)化的連接性，同時(shí)轉(zhuǎn)向使用更低功耗的802.15.4協(xié)議，以延長(zhǎng)電池壽命。

Nest Protect煙霧探測(cè)器透過(guò)基于802.15.4的無(wú)線協(xié)議Nest Weave彼此互連，并經(jīng)由Wi-Fi連接至家中路由器，還可以透過(guò)智能型手機(jī)的藍(lán)牙功能進(jìn)行控制智能門鎖通常包括一個(gè)攝影機(jī)，讓用戶在決定是否打開(kāi)門鎖之前先看看是誰(shuí)在門口。就像煙霧探測(cè)器一樣，門鎖通常經(jīng)由Zigbee或Z-Wave (均為802.15.4變化版本)進(jìn)行控制，即使斷電期間也可以進(jìn)行操作。但是這些簡(jiǎn)單的接口并沒(méi)有用于視訊的帶寬，所以相機(jī)通常透過(guò)Wi-Fi連接。

智能家庭網(wǎng)關(guān)通常包含多種協(xié)議。這些網(wǎng)關(guān)通常整合于控制面板中，作為各種物聯(lián)網(wǎng)裝置的中樞。例如，XFinity Home平臺(tái)提供了一個(gè)觸控面板，該面板使用Wi-Fi連接到因特網(wǎng)和監(jiān)控?cái)z影機(jī)，但透過(guò)Zigbee連接到安全傳感器和其他智能設(shè)備。某些型號(hào)還包括一款蜂窩調(diào)制解調(diào)器，因此即使是在因特網(wǎng)聯(lián)機(jī)中斷的情況下，仍然可以傳送緊急警報(bào)。網(wǎng)關(guān)也可以作為獨(dú)立的裝置，如Wink Hub，能夠透過(guò)Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee、Z-Wave、Thread以及其他協(xié)議進(jìn)行通訊。

雖然工業(yè)環(huán)境可以得到更好的控制，但廠房設(shè)施最終通常會(huì)使用不同協(xié)議的多套物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。例如，智能照明系統(tǒng)可能使用Zigbee，而資產(chǎn)追蹤依賴于藍(lán)牙。當(dāng)系統(tǒng)由不同的部門在不同的時(shí)間安裝時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生這種不匹配的情況。在這些情況下，多協(xié)議網(wǎng)關(guān)能夠簡(jiǎn)化物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)收集和控制。如同消費(fèi)裝置一樣，添加藍(lán)牙就能讓手機(jī)或平板電腦更加簡(jiǎn)單地配置和管理工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

將多個(gè)無(wú)線芯片添加到基于微控制器(MCU)的基本設(shè)計(jì)，可能使其變得非常復(fù)雜且成本高昂。更好的解決方案之一是選擇一款多協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)處理器。例如，高通(Qualcomm)的QCA4020結(jié)合Cortex-M4子系統(tǒng)以及Wi-Fi、藍(lán)牙和802.15.4等三種無(wú)線協(xié)議。雖然有些系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能會(huì)省略5GHz天線以降低成本，但為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，這款芯片采用了雙頻(5GHz/2.4GHz) 802.11n Wi-Fi的設(shè)計(jì)。該芯片還建置了最新的藍(lán)牙5協(xié)議，可在連接至兼容裝置的同時(shí)擴(kuò)展范圍，它同時(shí)也支持新的藍(lán)牙網(wǎng)狀協(xié)議。

這三種無(wú)線技術(shù)整合了基帶、收發(fā)器和放大器(PA/LNA)，從而減少了BOM。該芯片包括一個(gè)專用的CPU和內(nèi)存，以及第二個(gè)CPU和內(nèi)存，用于處理藍(lán)牙和802.15.4 MAC，從主Cortex-M中卸除這些任務(wù)并提高安全性。硬件共存引擎有助于Wi-Fi和藍(lán)牙MAC協(xié)調(diào)使用2.4GHz天線，以避免降低支持單獨(dú)無(wú)線芯片的系統(tǒng)性能。

Cortex-M4F CPU工作頻率高達(dá)128MHz。除了32KB L1快取之外，CPU還可以利用芯片SRAM。即使加載了基本的RTOS和驅(qū)動(dòng)程序，內(nèi)存也為應(yīng)用程序留下了300KB以上的空間，而無(wú)需使用外部DRAM。然而，QCA4020依靠外部閃存，支持QSPI連接的就地執(zhí)行(XIP)協(xié)議。該芯片還包括安全引擎和通用裝邊設(shè)備，包括串行端口、A/D轉(zhuǎn)換器以及USB 2.0。

相較于市場(chǎng)上多家供應(yīng)商提供整合一個(gè)或甚至兩種無(wú)線協(xié)議的MCU，QCA4020則是一款支持3模的物聯(lián)網(wǎng)處理器。隨著越來(lái)越多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員試圖將多種無(wú)線協(xié)議添加到系統(tǒng)中，這一類微處理器將有助于簡(jiǎn)化其物料清單(BOM)并縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。