从存在检测到生命感应: 英飞凌解决物联网系统挑战

1.      引言

物联网 (IoT) 正在兴起。智能设备正在释放技术优势，帮助人们创造附加值，提高行业生产率。然而，物联网也带来了许多挑战，例如新技术的复杂性，以及获取和处理数据以做出明智决策的需求。换句话说，将产品特性转化为系统解决方案是一项挑战。英飞凌通过提供基于 XENSIV™ 连接传感器套件的可立即部署的解决方案来应对这些挑战。该套件是一个原型平台，用于简化和加速新应用和创新用例的开发。

虽然定义物联网 (IoT) 的方法有很多种，但物联网通常被称为连接到互联网的“物”网络。“物”是配备传感器、执行器、处理能力和连接性的物理对象。物联网世界中的设备通常被定义为“智能设备”。智能部分主要是收集和解释传感器数据的结果，用于触发动作。这就需要连接到互联网或专用云，以便设备可以相互交互，在网络内交换数据，并进行远程控制。这样，物联网技术就可以帮助人们解决社会挑战，为人们带来好处，并提高行业生产率。

数十亿台互联设备已投入使用，预计未来这一数字将稳步增长 （图1a）。物联网基础设施是智能家居市场增长的最重要驱动力之一。根据 Statista 的数据，到 2027 年，全球家庭中的智能设备数量将会翻一番 （图1b）^[1]。

图1a. 2019-2030 年全球物联网互联设备数量（以十亿计）

图1b. 智能家居分析中包含的所有产品类型都将在不久的将来实现巨大增长

2.      释放物联网的力量

每个物联网解决方案的核心都是微电子：传感器、执行器、微控制器、通信模块和安全组件。这些组件使系统能够测量、处理相关环境数据，并连接到互联网。然而，要构建成功的物联网设备，仅仅能访问物理模块还不够。这些模块还必须能快速高效地集成到网络中，必须以智能方式处理大量数据，必须建立稳定安全的云连接。

为了克服这些基本挑战并进一步加速开发，英飞凌提供了一个专用的开发平台，工程师借助该平台能够快速、轻松、安全地实施其物联网理念。XENSIV™ 连接传感器套件 (CSK) 是英飞凌的第一个物联网传感器平台（图2），支持基于英飞凌雷达、环境传感器及其他传感器的快速原型设计和开发。希望快速设计、部署物联网解决方案的客户可以访问英飞凌的一体化开发生态系统，其中包含全面传感器库以及传感器和连接用例的应用代码示例。所有这些特性使客户能够显著缩短智能 家居或智能 楼宇应用从概念验证到完全开发物联网设计的时间。

图2. 英飞凌 XENSIV™ 连接传感器套件 (CSK) 配备了 XENSIV™ BGT60TR13C 雷达 和 XENSIV™ PAS CO2 传感器。欲了解更多信息，请点击访问

3.      英飞凌物联网平台的构建块

XENSIV™ 连接传感器套件 (CSK) 包括四个基本构建块（图3）：

图3. 英飞凌 XENSIV™ 连接传感器套件中的组件

3.1 感测

传感器赋予物联网设备人类感官，建立态势感知。在英飞凌众多传感器产品组合中，XENSIV™ DPS368 气压、XENSIV™ BGT60TR13C 雷达和 XENSIV™ PAS CO2 传感器已集成到 CSK 中。以后将会继续添加其他传感器实现。在参考设计中的感测元件极具特色，同时也包括所有必要的组件，例如稳压器、电压转换器和振荡器 ^[2]。这在设计和测试阶段节省了大量时间和资源，降低了技术风险和 BOM 成本。

3.2 计算

微控制器 (MCU) 处理获取的数据、做出决策，并协调与设备的通信。物联网领域对微控制器的要求与物联网应用本身一样极具多样化。CSK 采用 PSoC™ 62，这是一款专为物联网设计的低功耗、高性能 32 位 Arm® MCU。应用代码示例通过 ModusToolbox™ 软件环境提供，可以让基于PSoC 处理平台上的评估和开发工作更容易。代码示例包括三层：1. BSP（板级支持包），包括时钟、外设和参考评估板引脚的配置说明；2. 传感器驱动程序，包括与 XENSIV™ 传感器连接的函数；3. 算法层，其中包括从传感器原始数据到经过处理的应用输出的整个信号处理链。

3.3 连接

基于以上的理念，英飞凌开发出专用于LED驱动电源的NFC控制芯片NLM0010和NLM0011，封装是非常紧凑的SOT-23，5脚封装，内建了丰富的功能。既可以在出厂前设置，也可以在终端客户安装前根据不同的光源设置，极大地简化了设计和使用。为了使设备能够相互通信，并与云实现通信，模块需要连接到物联网。对于外形小巧的物联网设计，英飞凌的 CSK 提供了 AIROC™ 连接组合模块，在单芯片解决方案中集成了双频 2.4 GHz 和 5 GHz Wi-Fi 4 (802.11n) 和蓝牙® 5.0。关于软件资产(在软件实例部分)，我们使用 CSK 演示了 MQTT 客户端实现。MQTT 是物联网中非常流行的开源发布/订阅通信协议，因为它可以跨平台使用，同时占用的带宽最小。发布器(端)和订阅器(端)在空间上解耦(相互独立)。客户端连接到配置的 MQTT 代理：客户端发送消息（发布器）以传达传感器事件，并从代理接收消息（订阅器）。用户无需为客户端识别生成证书和密钥；这块由英飞凌负责帮您实现。

3.4 安全

安全性是物联网的基础，因为只有在嵌入式系统中有足够的安全性和隐私性，才有可能建立必要的信任，以增强和充分探索物联网的可能性。这便是英飞凌 OPTIGA™ Trust M 的优势所在，它为嵌入式安全解决方案和使用 CSK 时的安全移动连接提供了理想的解决方案。运行 OPTIGA™ Trust M 设置时，即可以从主机库中受益，主机库专用 API 以与安全芯片交互，还可以从相互验证、安全通信、数据存储保护和安全 OTA 软件更新等示例应用中受益。

4.      支持 CSK 的用例 

获取、处理和解释数据的能力，以及与其他设备通信、互连的能力，正在成为降低功耗、提高多种环境安全性，甚至让我们的日常生活变得更加舒适的强大工具。

例如，一个要求颇高的智能设备功能是存在检测，旨在通知附近是否有人类目标。照明、声音、供暖、制冷、通风和门禁系统都可以从这些信息中受益，并可以及时激活，提高用户舒适度，同时也能节省能源。英飞凌基于雷达的高灵敏度存在检测解决方案不仅能够检测宏观运动，还能够检测微观运动。用户与设备的交互会变得更加自然，因为用户无需再在感测元件前挥手以确保设备做出反应。传感器集成和算法开发是主要挑战，但英飞凌的 CSK 可以在这方面提供帮助，可为存在检测提供参考设计和可立即部署的用例。

另一个用例体现在医疗保健和健康方面：英飞凌的 XENSIV™ BGT60TR13C 雷达传感器可以检测人体胸部由心肺活动引起的细微运动。英飞凌的雷达解决方案可确保持续监测呼吸和心跳，而无需与用户直接接触或记录隐私敏感信息。持续的生命体征跟踪可用于提高我们的健康意识，也有助于医疗保健专业人员研究生命体征信号与年龄、性别和生活习惯的关系。该解决方案提供了有关不同人群健康和幸福感的及时信息：可以在家中持续监测老年人，从而减少去医院和医生诊所就诊的次数；也可以在夜间监测婴儿，让父母更加方便和安心，无需再经常查看育儿室。

CSK 与 XENSIV™ PAS CO2传感器结合使用，可以实现持续的空气质量监测。通风不良会导致氧气含量降低和二氧化碳（CO2）积聚。即使是中等浓度的 CO2 也会对健康和工作效率产生负面影响：当浓度达到 1000 ppm 时，人们就开始感到困倦，难以集中注意力。如果 CO2 传感器在房间内的空气质量恶化时能立即发出警告，那当然是件好事。然而，为了充分利用互联世界的可能性，CO2 传感器预计会先将此类警告发送到自动化系统，之后再通过调节通风系统或自动打开窗户来做出相应的反应。得益于按需控制的通风系统、空气净化器和恒温器，配备实时 CO2 监测系统的智能家居可以从改善的空气质量和更加舒适的环境中受益。

需要考虑的一个方面是节能的巨大潜力，因为互联设备只有在用户处于范围之内才能激活。欧盟 ^[3] 约 50% 的能源消耗来自楼宇和工业中的供暖和制冷系统。例如，配备英飞凌 CO2 传感器 的通风系统可节省高达 55% 的能耗 ^[4][5]。在楼宇额外配备智能恒温器和楼宇自动化系统时，节能效果会更好。

图4. XENSIV™ 连接传感器套件支持的创新用例示例

其中一些用例（图4）已经作为可部署的物联网解决方案在 CSK 中实施。然而，英飞凌的物联网开发平台已经为新的用例实施做好了准备：工程师可以简单地利用现有的代码示例来探索无数未来应用，这些应用可为用户带来更多的舒适度和便利性，同时还更加环保。

这两个IC的使用非常简易，硬件电路主要涉及IC的输出信号设计、Vcc的设计和天线设计。

5.      结论

开发可靠的智能解决方案需要多个组件协同工作——这对工程师来说是一项真正的挑战，尤其是考虑到大量可选择的制造商，以及掌握每个组件所需的深度知识。无线和嵌入式系统的相互作用不容忽视，安全、云集成和能源管理也不容忽视。此外，必须收集、合并和处理环境数据，以控制互联设备的行为和反应方式。应对所有这些挑战非常耗时，而且需要大量专业知识。使用英飞凌的 XENSIV™ 连接传感器套件可以加速物联网设备的开发：该套件不仅可以收集准确、多样的数据，还可以很好地利用态势感知。

6.      Alessandra Fusco 高级工程师系统应用

Alessandra Fusco 是一位经验丰富的系统应用工程师，目前在慕尼黑英飞凌科技股份有限公司担任物联网传感器系统组的技术主管。她专门研究消费类应用的算法和系统设计，目前正在研究结合传感器、边缘分析和连接的创新型应用解决方案，该方案适用于从使用超声波的目标跟踪到使用雷达的生命感应算法开发等应用。过去，Alessandra 的研究范围涵盖了从构思到解决方案上市部署的整个产品开发周期。

7.      文献

[1] Statista，家庭变得越来越智能。 https://www.statista.com/chart/27324/households-with-smart-devices-global-iot-mmo/

[2] 有关 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/的更多详细信息，请参阅《用户手册》。

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

[4] 通过环境感测进行占用检测，Jin 等人。2016

[5] 占用驱动恒温器对住宅楼宇的节能影响，Wang 等人。2020

8.      信息框– ModusToolbox

英飞凌的 ModusToolbox 软件是一个现代的、可扩展的开发环境，支持广泛的英飞凌微控制器器件。该软件提供了一套灵活的工具，以及多样化、高质量的、以应用为中心的软件集合。其中包括配置工具、低级驱动程序、库和操作系统支持，其中大部分与 Linux、macOS 和 Windows 托管环境兼容。

图5. ModusToolbox™中的 XENSIV™ 连接传感器套件软件堆栈

图5 总结了连接传感器套件的整个 ModusToolbox™ 软件堆栈，从板级支持包 (BSP) 到应用层。

如需了解更多信息，请访问： https://www.infineon.com/cms/en/design-support/tools/sdk/modustoolbox-software/