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從存在檢測到生命感應(yīng)：英飛凌解決物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)挑戰(zhàn)

（2024年11月23日更新）

1. 引言

芯片采購網(wǎng)專注于整合國內(nèi)外授權(quán)IC代理商現(xiàn)貨資源，芯片庫存實時查詢，行業(yè)價格合理，采購方便IC芯片，國內(nèi)專業(yè)芯片采購平臺。

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 正在興起。智能設(shè)備正在釋放技術(shù)優(yōu)勢，幫助人們創(chuàng)造附加值，提高工業(yè)生產(chǎn)率。然而，物聯(lián)網(wǎng)也帶來了許多挑戰(zhàn)，如新技術(shù)的復(fù)雜性，以及需要獲取和處理數(shù)據(jù)來做出明智的決策。換句話說，將產(chǎn)品特性轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)解決方案是一個挑戰(zhàn)。英飛凌提供基礎(chǔ) XENSIV 可立即部署連接傳感器套件的解決方案來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。該套件是簡化和加快新應(yīng)用和創(chuàng)新用例開發(fā)的原型平臺。

盡管定義了物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 有很多方法，但物聯(lián)網(wǎng)通常被稱為連接到互聯(lián)網(wǎng)的對象網(wǎng)絡(luò)。對象是配備傳感器、執(zhí)行器、處理能力和連接的物理對象。物聯(lián)網(wǎng)世界中的設(shè)備通常被定義為智能設(shè)備。智能部分主要用于收集和解釋傳感器數(shù)據(jù)的結(jié)果，以觸發(fā)動作。這需要連接到互聯(lián)網(wǎng)或特殊云，以便設(shè)備能夠在網(wǎng)絡(luò)上相互交互ELAN代理在網(wǎng)絡(luò)中交換數(shù)據(jù)并進行遠程控制。這樣，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就可以幫助人們解決社會挑戰(zhàn)，給人們帶來好處，提高行業(yè)生產(chǎn)率。

數(shù)十億臺互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備已投入使用，預(yù)計這一數(shù)字在未來將穩(wěn)步增長（圖1a）。物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施是智能家居市場增長的最重要驅(qū)動力之一。 Statista 的數(shù)據(jù)，到 2027 年，全球家庭的智能設(shè)備數(shù)量將翻一番（圖1b）[1]。

圖1a. 2019-2030 全球物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量(以十億計)

圖1b. 在不久的將來，智能家居分析中包含的所有產(chǎn)品類型都將實現(xiàn)巨大的增長

2. 釋放物聯(lián)網(wǎng)的力量

每個物聯(lián)網(wǎng)解決方案的核心是微電子：傳感器、執(zhí)行器、微控制器、通信模塊和安全組件。這些組件使系統(tǒng)能夠測量和處理相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)，并連接到互聯(lián)網(wǎng)。然而，僅僅訪問物理模塊來構(gòu)建一個成功的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是不夠的。這些模塊還必須能夠快速有效地集成到網(wǎng)絡(luò)中，大量數(shù)據(jù)必須以智能的方式處理，并建立穩(wěn)定和安全的云連接。

為了克服這些基本挑戰(zhàn)，進一步加快發(fā)展，英飛凌提供了一個快速、輕松、安全地實施物聯(lián)網(wǎng)理念的專用開發(fā)平臺。XENSIV 連接傳感器套件 (CSK) 支持基于英飛凌雷達、環(huán)境傳感器等傳感器的快速原型設(shè)計和開發(fā)，是英飛凌第一個物聯(lián)網(wǎng)傳感器平臺(圖2)。希望快速設(shè)計和部署物聯(lián)網(wǎng)解決方案的客戶可以訪問英飛凌的綜合開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，包括綜合傳感器庫、傳感器和連接用例的應(yīng)用代碼示例。所有這些特征都能顯著縮短客戶的智力家居或智能從概念驗證到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計完全開發(fā)的時間。

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。欲了解更多信息，請點擊訪問

3. 英飛凌物聯(lián)網(wǎng)平臺的建設(shè)

XENSIV 連接傳感器套件 (CSK) 包括四個基本建筑塊(圖3):

圖3. 英飛凌 XENSIV 連接傳感器套件中的組件

3.1 感測

傳感器賦予物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備人類感官，建立態(tài)勢感知。在英飛凌眾多傳感器產(chǎn)品的組合中，XENSIV DPS368 氣壓、XENSIV BGT60TR13C 雷達和 XENSIV PAS CO2 集成了傳感器 CSK 中。未來將繼續(xù)添加其他傳感器。感知元件在參考設(shè)計中非常獨特，還包括穩(wěn)壓器、電壓轉(zhuǎn)換器和振蕩器等所有必要的元件 [2]。在設(shè)計和測試階段節(jié)省了大量的時間和資源，降低了技術(shù)風險 BOM 成本。

3.2 計算

微控制器 (MCU) 處理獲得的數(shù)據(jù)，做出決定，并與設(shè)備協(xié)調(diào)通信。微控制器在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的要求與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用本身一樣多樣化。CSK 采用 PSoC 62是專門為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的低功耗、高性能 32 位 Arm MCU。通過應(yīng)用代碼示例 ModusToolbox 提供軟件環(huán)境可以基于PSoC 更容易對平臺進行評估和開發(fā)。代碼示例包括三層：1. BSP(板級支撐包)，包括時鐘、外設(shè)和參考評估板引腳的配置說明；2. 包括和 XENSIV 傳感器連接的函數(shù)；3. 算法層包括從傳感器原始數(shù)據(jù)到處理應(yīng)用輸出的整個信號處理鏈。

3.3 連接

基于上述概念，英飛凌專門開發(fā)了LED驅(qū)動電源的NFC控制芯片NLM0010和NLM0011，包裝非常緊湊SOT-23、5腳封裝，功能豐富。可在出廠前設(shè)置，也可在終端客戶安裝前根據(jù)不同光源設(shè)置，大大簡化了設(shè)計和使用。模塊需要連接到物聯(lián)網(wǎng)，使設(shè)備相互通信，并與云實現(xiàn)通信。英飛凌的小物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計 CSK 提供了 AIROC 雙頻集成在單芯片解決方案中 2.4 GHz 和 5 GHz Wi-Fi 4 (802.11n) 和藍牙 5.0。我們使用軟件資產(chǎn)(軟件實例部分) CSK 演示了 MQTT 實現(xiàn)客戶端。MQTT 開源發(fā)布/訂閱通信協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)中非常流行，因為它可以跨平臺使用，同時占用最小的帶寬。在空間上解耦發(fā)布器(端)和訂閱器(端)(相互獨立)。連接到配置的客戶端 MQTT 代理：客戶發(fā)送消息(發(fā)布器)傳達傳感器事件，并從代理接收消息(訂閱器)。用戶無需為客戶端識別生成證書和密鑰；英飛凌負責幫助您實現(xiàn)這一點。

3.4 安全

安全是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，因為只有在嵌入式系統(tǒng)中有足夠的安全和隱私，才能建立必要的信任，以增強和充分探索物聯(lián)網(wǎng)的可能性。這是英飛凌 OPTIGA Trust M 其優(yōu)點是嵌入式安全解決方案和使用 CSK 安全移動連接提供了理想的解決方案。運行 OPTIGA Trust M 設(shè)置時，可從主機庫中受益，主機庫專用 API 為了與安全芯片交互，還可以從相互驗證、安全通信、數(shù)據(jù)存儲保護和安全 OTA 受益于軟件更新等示例應(yīng)用。

4. 支持 CSK 的用例

獲取、處理和解釋數(shù)據(jù)的能力以及與其他設(shè)備通信和連接的能力正成為降低功耗、提高各種環(huán)境安全甚至使我們的日常生活更加舒適的強大工具。

例如，為了通知附近是否有人類目標，對智能設(shè)備的功能有很高的要求。照明、聲音、加熱、制冷、通風和門禁系統(tǒng)可以從這些信息中受益，及時激活，提高用戶舒適度，節(jié)約能源。基于雷達的高靈敏度，英飛凌不僅能檢測宏觀運動，還能檢測微觀運動。用戶與設(shè)備的交互會變得更加自然，因為用戶不需要在感知元件之前揮手，以確保設(shè)備反應(yīng)。傳感器集成和算法開發(fā)是主要挑戰(zhàn)，但英飛凌 CSK 可以在這方面提供幫助，可以為現(xiàn)有檢測提供參考設(shè)計和可立即部署的用例。

另一個用例體現(xiàn)在醫(yī)療保健和健康上:英飛凌 XENSIV BGT60TR13C 雷達傳感器可以檢測心肺活動引起的引起的微妙運動。在不直接接觸或記錄隱私敏感信息的情況下，英飛凌的雷達解決方案可以保證呼吸和心跳的持續(xù)監(jiān)測。持續(xù)的生命體征跟蹤可以用來提高我們的健康意識，并幫助醫(yī)療保健專業(yè)人士研究生命體征信號與年齡、性別和生活習慣之間的關(guān)系。該解決方案為不同群體的健康和幸福提供了及時的信息：老年人可以在家里不斷監(jiān)測，從而減少去醫(yī)院和醫(yī)生診所的次數(shù)；你也可以在晚上監(jiān)測嬰兒，這樣父母就可以更方便和放心，不需要經(jīng)常檢查育兒室。

CSK 與 XENSIV PAS CO結(jié)合傳感器，可實現(xiàn)持續(xù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測。通風不良會降低氧氣含量和二氧化碳（CO2）積聚。即使是中等濃度 CO2 當濃度達到時，也會對健康和工作效率產(chǎn)生負面影響 1000 ppm 人們開始感到困倦，難以集中注意力。如果 CO2 當房間內(nèi)空氣質(zhì)量惡化時，傳感器可以立即發(fā)出警告，這當然是一件好事。然而，為了充分利用互聯(lián)網(wǎng)世界的可能性，CO2 傳感器預(yù)計將先將此類警告發(fā)送到自動化系統(tǒng)，然后通過調(diào)整通風系統(tǒng)或自動打開窗戶來做出反應(yīng)。由于通風系統(tǒng)、空氣凈化器和恒溫器的實時控制 CO2 智能家居的監(jiān)控系統(tǒng)可以從改善空氣質(zhì)量和更舒適的環(huán)境中受益。

需要考慮的一個方面是節(jié)能的巨大潛力，因為互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備只能在用戶范圍內(nèi)激活。 [3] 約 50% 能源消耗來自建筑和工業(yè)供暖和制冷系統(tǒng)。例如，配備英飛凌 CO2 傳感器通風系統(tǒng)可節(jié)省高達 55% 的能耗 [4][5]。當建筑配備額外的智能恒溫器和建筑自動化系統(tǒng)時，節(jié)能效果會更好。

圖4. XENSIV 連接傳感器套件支持的創(chuàng)新示例

一些用例(圖4)已被用作可部署的物聯(lián)網(wǎng)解決方案 CSK 實施。然而，英飛凌的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺為新用例的實施做好了準備：工程師可以簡單地使用現(xiàn)有的代碼示例來探索無數(shù)未來的應(yīng)用程序，這可以給用戶帶來更多的舒適和方便，但也更環(huán)保。

這兩個IC使用非常簡單，硬件電路主要涉及IC輸出信號設(shè)計，Vcc天線設(shè)計。

5. 結(jié)論

開發(fā)可靠的智能解決方案需要多個組件的合作——這對工程師來說是一個真正的挑戰(zhàn)，特別是考慮到大量可選的制造商，并掌握每個組件所需的深度知識。無線與嵌入式系統(tǒng)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，為了控制互聯(lián)設(shè)備的行為和反應(yīng)，必須收集、合并和處理環(huán)境數(shù)據(jù)。處理這些挑戰(zhàn)非常耗時，需要大量的專業(yè)知識。使用英飛凌 XENSIV 連接傳感器套件可以加速物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開發(fā)：該套件不僅能收集準確、多樣化的數(shù)據(jù)，還能充分利用情況感知。

6. Alessandra Fusco 高級工程師系統(tǒng)應(yīng)用

Alessandra Fusco 目前在慕尼黑英飛凌科技有限公司擔任物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)組技術(shù)總監(jiān)，是一名經(jīng)驗豐富的系統(tǒng)應(yīng)用工程師。她專門研究消費者應(yīng)用的算法和系統(tǒng)設(shè)計。目前，她正在研究結(jié)合傳感器、邊緣分析和連接的創(chuàng)新應(yīng)用解決方案。該方案適用于從超聲波目標跟蹤到雷達生命感應(yīng)算法開發(fā)的應(yīng)用。過去，Alessandra 研究范圍涵蓋了從構(gòu)思到解決方案上市部署的整個產(chǎn)品開發(fā)周期。

7. 文獻

[1] Statista，家庭變得越來越智能。 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/更詳細的信息，請參閱用戶手冊。

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

[4] 占用檢測通過環(huán)境感知進行，Jin 等人。2016

[5] 占用驅(qū)動恒溫器對住宅樓的節(jié)能影響，Wang 等人。2020

8. 信息框– ModusToolbox

英飛凌的 ModusToolbox 該軟件是一個現(xiàn)代、可擴展的開發(fā)環(huán)境，支持廣泛的英飛凌微控制器件。該軟件提供了一套靈活的工具，以及以應(yīng)用為中心的多樣化、高質(zhì)量的軟件集合。它包括配置工具、低級驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)庫和操作系統(tǒng)支持，其中大部分 Linux、macOS 和 Windows 托管環(huán)境兼容。