准备好设计下一个成功的物联网器件

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1、 集成物联网 广泛的市场采用所必需的构建块 作者： Kaivan Karimi，Atmel 无线解决方案部门副总裁兼总经理 Pierre Roux，Atmel 无线解决方案部门产品营销总监 Andreas Eieland，Atmel 高级产品营销经理 Espen Krangnes，Atmel MCU 产品营销部门高级产品营销经理 Henrik Flodell，Atmel 研发工具部门高级产品营销经理 Bill Boldt，Atmel 加密产品部门高级产品经理 连接起来 预计到 2020 年，互连器件将达到 500 亿，物联网 (IoT) 有望将各式各样的工业用电器和家用电器连接到云服务提供商。

2、其目标是让互连器件（例如个人健身腕带）生成的数据可自动上传 到云。这样我们就可以追踪并分析身体重要部位和性能测量结果，如心率、热量消耗、步行距离和睡眠时间。 g3g32通常情况下，从小器件上（在本例中为健身腕带，由于该器件位于云的数据收集路径的最边缘，所以还常称为“边缘”器件）获取的数据将会通过智能手机应用上传。智能手机会以可视方式呈现 数据，如果要求实时呈现，智能手机将作为网关进一步将数据上传至可对历史趋势和性能比较进行分析的基于云的服务。在本例中，数据分析可能在健身腕带中进行，也可能在智能手机中 进行，具体取决于其设计。当然，并非所有数据都最终位于云中，智能手机也可能存储所有数据并执行分析

3、。数据是否传输到云应用取决于用户以及他们自己的应用喜好。 图 1 - 影响我们生活的方方面面的 IoT 健身腕带只是所有家用电器和个人技术器件都将互连在一起这一发展趋势的一个例子。图 1 说明了 IoT 是如何影响我们生活的方方面面的，从健身腕带和智能手表这样的可穿戴器件到个人健g3g33康监测仪，IoT 让我们进入了连接状态。我们的住所和白色家电也逐渐成为 IoT 边缘节点的候选者。智能家居概念正在快速流行，在智能家居中，电量消耗由位于家中的智能网关仔细监视，可以对家电进行远程控制。可以与能源提供商协商在夜间采用低成本电价的家电（例如洗衣机）很快将会推出。智能恒温器、远程照明控制以及安全传感

4、器（例如烟雾和一氧化碳探测器）已经成为家庭自动化系统中的边缘节点器件。边缘节点帮助用户节能，同时又提高了舒适度，这是因为所有一切都更加智能化了。当然，我们的汽车及其内部的技术也在进入连接状态。发动机和动力传动系监视、安全性能以及一系列的交通信息举措（例如欧盟实施的“C2C/C2X 车间互联”）都将确保我们的旅程更加安全和便利。 同时 IoT 将为我们提供比之前更多的数据来进行监视、了解趋势并进行分析，这也将开辟激动人心的全新商业模式。同样，互联网也为零售业带来了巨大的变化，例如脱媒，即消费者可直接从制造商那里购买，IoT 使得产品和服务制造商可以使用完全不同的推销方式来销售其产品和 服务。以汽

5、车保险为例。过去，新获得驾照的年轻驾驶员面临着巨大的保险费用。但是，英国一些保险公司的举措使这一费用变得可以负担得起，他们在车中安装一台配有 GPS 的“黑匣子”，用来记录并测量车速、制动压力和转向力。如果谨慎驾驶并在限速内行驶，则保险公司可以向这些理智且体谅他人的年轻驾驶员收取公平的费率。其他尚未投入市场的构想还包括以类似方式收取轮胎费用。监视行驶距离、车速、加速和制动力将允许轮胎公司以租赁使用方式而非完全购买方式收取轮胎费用。 毫无疑问，IoT 让我们所有人都能够在生活中获得更多信息。IoT 还促使产业公司提供产品和服务的方式以及针对产品和服务进行收费的方式发生重大变化。对于消费品，IoT

6、 允许公司制定以个人为基础的产品和服务价格。 使 IoT 运转起来 在第一次检测中，IoT 边缘器件的要求似乎与其他基于微控制器 (MCU) 的研发项目相同。MCU 从您的一个或多个传感器读取数据，然后在将数据发送到其他应用或导致另一事件（例如打开 电机）之前可以在本地对数据进行处理。但是，需要决定如何与这些其他应用进行通信。有线、无线和电力线通信 (PLC) 是常用选项。但是，您必须考虑到许多 IoT 器件是由电池供电的，这意味着其功耗要尽量保持在低水平，以延长电池寿命。考虑到所连接器件的安全性问题时，也会加深复杂性。这不仅仅是所传输的数据的安全性，还要确保您的器件无法克隆，并且也不允许未经

7、授权的应用在其上运行。 g3g34IoT 的基础结构 边缘节点与网关通信，边缘节点与其他边缘节点通信，以及边缘节点与基于云的服务提供商直接通信，这都为开发人员带来了许多挑战。首先也是最重要的是投放市场的时间。身负使基于 IoT 的产品进入市场的商业压力，开发人员正在寻找方法通过使用供应商提供的包括大多数相关软件和预认证无线收发器的参考设计来使设计走上快车道。一些领先的研究组织的调查表明，该趋势的另一个方面是， 到 2019 年，50% 的 IoT 解决方案将由组建时间不足三年的开发组提供。这意味着将会出现大量设计 IoT 器件的组织，但他们没有大型的已建立的工程团队和资源的 优势。 对于目前的

8、许多可穿戴设计来说，智能手机已成为选定的网关。该模型不仅可以提供到云服务提供商的较远距离连接，还使得用户能够查看和分析数据。当然，还有很多其他与云进行通信的方式，例如使用 Fiber & DSL 利用本地 ISP 网络（通常是最经济高效的方式）、电力线通信、卫星和其他类型的广域网 (WAN) 连接。在所有情况下，都将使用新一代智能网关的层次结构与各种类型的边缘节点器件进行通信（使用短距离连接技术），进行汇总、分析并提供服务，并且在必要时使用 WAN 通信技术将数据发送到云。 蜂窝仍然被认为是一种可行的远距离通信“管道”。但是，随着时间的推移，将逐渐采用更适合 IoT 类型的应用的新一代 WAN

9、 连接来处理与云之间的大多数的 IoT 通信。同时，对于许多 IoT 设计而言，可靠的蜂窝信号路径的建筑物内可用性可能会成为一个重要问题。对于越来越多的 IoT 应用，特别是不需要在本地对生成的数据进行解释的非可穿戴式应用和更多的工业 IoT 应用，对不同类型网关的需求越来越大。智能网关的概念在通向云服务提供商的边缘节点数据的安全服务交付基础结构（见图 2）中扮演着重要角色。 图 2 - 安全的服务交付基础结构 g3g35这样的智能网关（或分层网关），不仅用来通过与云之间的远距离 WAN 通信，从而提供边缘节点的短距离通信，而且还能够存储、解释和操作来自边缘节点的数据。大体来说，短距离通信包括

10、 802.15.4（ZigBee、6LoWPAN、无线 HART、ISA-100 等)，蓝牙/BLE、低功耗 Wi-Fi。许多其他发展中的标准，例如使用子 GHz ISM 频率的 802.11ah，正在蓄势待发，因此，设计人员需要跟上它们的采用。图 3 显示了这样的智能分层网关的工作原理示例。 图 3 - 分层网关框图 IoT 的构建块 幸运的是，无论您想开发何种类型的 IoT，关键的构建块都是相同的。 g3g36图 4 - IoT 的构建块 如图 4 所示，任何 IoT 设计的核心都将包括一个嵌入式处理器件，可能包括一个或多个 传感器，包括通常基于无线的连接，最后并且可能是最重要的，还要包括

11、器件安全性。支持所有这些块将构成一个全面且完全集成的工具链生态系统，该生态系统将使开发变得容易，并加快投放市场的速度。处理能力的强弱和传感器的数目将通常取决于边缘节点的类型。 对于开发人员而言，需要在早期阶段考虑许多相互关联的决定。例如，当考虑可穿戴项（例如健身腕带）的要求时，电池寿命肯定是一个主要的考虑事项。根据产品规格，腕带可能需要一个显示 屏，而更高端的器件可能需要实现用户界面的触摸控制。健身碗带通常将使用手机作为网关，因此蓝牙低能耗 (BLE)（aka 蓝牙智能）连接就足够了，而更先进的智能手表可以使用低功耗 Wi-Fi 和 BLE。还需要注意器件的运行方式。应该多久读取一次数据？应该

12、以什么频率向网关转移 数据？要最高功效地使用器件，需要以什么频率使无线链路保持活动状态？是否应该仅在要显示数据时对数据进行处理，在读取时不进行处理？因为在寿命剩余期间，需要进行一些权衡并且所有这些决定都将影响功耗。对于要使 IoT 产品在最短时间内投放市场的开发人员来说，选择适合最广泛的 IoT 应用的一家基础构建块供应商是最重要的第一步。 IoT 设计简单性 凭借二十年积累的微控制器、触摸控制、安全性和无线方面的专业知识，Atmel 提供了最广泛的适合纳入到 IoT 设计中的器件组合 不管设计有多简单或多复杂。今天，在成千上万的 消费品、工业和汽车解决方案中都可以发现 Atmel 微控制器

13、(MCU) 和微处理器 (MPU) 的 身影。创客群体也已开始采用 Atmel 技术，他们使用 AtmelAVR和 SAM 微控制器器件作为许多 Arduino 单板机平台的心脏。深受时装设计人员喜爱的 Arduino Lilypad 使用了 Atmel ATmega168 微控制器，并且已开始在最初的某些可穿戴式电子织物服装中使用。 g3g37Atmel 提供了基于世界上最流行的 8 位和 32 位架构（Atmel AVR 和 ARM）的最广泛的 MCU 和 MPU 产品组合。可以免费下载的 Atmel Studio 6 生态系统同时支持这两种架构，该生态系统包含许多嵌入式开发工具和一个强大

14、的称作 Atmel Software Framework (ASF) 的软件库框架。 基于 Atmel AVR 和 Atmel ARM的器件内置有一些 Atmel IP，例如 picoPower和 Sleepwalking。Atmel picoPower 技术使得器件可以从头开始设计以实现最低的功耗。这包括了低泄露晶体管设计、工艺几何数据、灵活的时钟和睡眠模式。Atmel picoPower 器件可以降到 1.62 VDC 运行，仍然能够维持所有功能。使用最深睡眠模式中的短唤醒和多个唤醒源，picoPower 可以确保设计尽可能节能。Sleepwalking 为 picoPower 添加了外设

15、智能。它允许外设确定传入的数据是否需要使用 CPU。Sleepwalking 定义了唤醒事件。它允许微控制器进入深度休眠，并且只有当发生预定义的事件时才醒来。CPU 不再需要检查特定的条件是否存在或者地址匹配是否为真。使用 sleepwalking，外设会执行检查并且只有当符合某个有效条件时才会将 CPU 唤醒。 简单易用的 AVR Atmel AVR 微控制器系列同时提供了集成度很高的 8 位和 32 位低功耗器件，这些器件都基于 Atmel 单周期 RISC 微控制器核心创新。8 位性能高达 1.0 MIPS/MHz、32 位性能高达 1.5 MIPS/MHz 并且时钟速度高达 66 MH

16、z，AVR 系列带着小而强大的 6 管脚 Atmel tinyAVR系列 MCU 到来了。针对高级 C 代码开发而设计，AVR 指令集和 CPU 设计已经过优化，以达到代码最简洁、执行速度最快的效果。单周期指令执行和高代码密度的组合提供了仍领先于行业的计算性能和低功耗的整体包。 高性能且高效能的 Atmel 8 位 MCU 有三个系列：入门级 tinyAVR、中端 megaAVR以及最新的 AVR XMEGA。 tinyAVR 器件针对在小型包中要求性能、高功效和易用性的应用进行了优化。该器件能够在 0.7V 电压下工作，并且集成了 ADC、闪存、EEPROM、欠压检测器和芯片上调试，可以实现快速、安全、经济高效的线路中升级。 g3g38中端 megaAVR 较适合需要大量代码的应用。性能高达 20 MIPS，中端系列在存储器、管脚数和外设方面提供了很多选择，包括专用选件，例如 USB、LCD 控制器、CAN、LIN 和功率等级控制器。 AVR XMEGA MCU 由各种基础块构成，包括 AVR