通过微控制器实现智能家居的无线连接与控制

随着 IPv6 的出现，对于所有实际用途，唯一互联网地址目前几乎是无限的。 因此，如何应用它们尚未完全定义，但简单地说，“智能”一词将起到关键作用。

例如，智能家居将为可寻址的节点呈现出理想环境；家里的每个设备在不久的将来完全可能变得‘更智能’，而这意味着我们的家也将因此变得更智能。

远程管理家居环境的想法还是只是一个开始。 从概念上讲，你甚至不需从传统意义上管理事务；您的家庭将能自行做决定。 主要表现为：智能照明、识别个人身份的安防系统，或适应季节、当日时间和占用率的环境设置。 所有这些都将成为可能，这就要归功于微控制器提供强大支持的节点，而这些节点主要通过安全通道以无线通信方式来收集和交换数据。

无线技术的演变

数十年来，无线通信技术一直用于促进工业环境中的控制；在蜂窝技术出现前的很长一段时间里，次 GHz 带宽过去（目前仍然）主要用于创建专有而稳固的射频链路，这种链路同时具备良好的覆盖率和弹性。 但是，可以说是最近的工作在 2.4 GHz 带宽范围的‘开放’无线技术推动了创新，同时推出的相关协议也是数量众多。 如今，使用 868.0 - 868.6 MHz（欧洲）、902 – 928 MHz（北美）和 2400 - 2483.5 MHz（全球）频带的专用于无线通信的协议通常称为 IEEE 802.15.4 的 IEEE 规范，目前包括一系列更高级别的协议，如 ZigBee、蓝牙和线程协议。

持续创新已让制造商大幅缩减面向 IEEE 802.15.4 标准、已启用射频的微控制器的功耗和尺寸，如此一来，现在预计可以提供用于智能电器的基础构建块，将其连接至家庭网关，并从此连接到整个互联网。 通过这种方式，房主很快就能从任何地方监视并控制这些智能电器，而网关在控制家庭环境方面也可获得一定的自主权。

在某种程度上，这个智能家居的愿景将通过部署智能电表来实现，而智能电表可以更密切地监视天然气、水和电等公用事业的输送。 在智联环境中与负责消耗这些商品的电器结合后，智能家居的愿景显然已初步成型。 但是，有限资源的更智能使用只是一个方面。 未来会有很多机会改善开展日常活动的方式，其中包括了安全门禁。 目前提供的‘智能锁’可使用个人代码编程，从而帮助屋主了解家里的情况，包括有谁在家以及在家的时间等等。

智能家居将借由大量传感器来实现，通过低成本、超低功耗的微控制器控制和连接，这对从事此激动人心且可能获利的新领域的 OEM 来说是一个大好良机。

集成解决方案

虽然低级协议仍为 IEEE 802.15.4，但较高级别的协议却多种多样且各不相同，实施这些协议的器件也是如此。 例如，NXP Semiconductors 推出的 JN516x 系列无线微控制器集成了一个专有的 32 位 RISC 内核和一个包含 2.45 GHz 无线电、调制解调器、基带控制器和安全协处理器的无线收发器，以及一个在需要更大范围时用于直接控制外部功率放大器的专用输出。

安全协处理器提供 IEEE 802.15.4 2006 标准中所需的基于硬件的 128 位 AES-CCM 模式，而收发器块则提供由 CPU 上运行的协议堆栈控制的 MAC 和 PHY 功能，以及高级协议和应用软件。

图 1：NXP 的 JN516x 系列无线 MCU 框图

虽然调制解调器提供数字收发器在 250 kbit/s 下符合 IEEE 802.15.4 标准所需的所有必要调制和扩频功能，但基带处理器提供 MAC 层的所有时序关键型的功能，使用专门硬件来确保空中接口的精确定时。 此硬件/软件分区让软件可以实现协议以毫秒分辨率安排时序事件所需的事件定序，而硬件能够以微秒时序分辨率实施特定的事件。 软件可处理协议的较高层功能，例如，使用基带处理器提供的服务在端点和协调器节点之间发送管理和数据消息（图 2）。

图 2：NXP JN516x 系列基带协处理器框图

安全协处理器可由应用软件访问，以执行加密/解密操作。 加密引擎的基于硬件的实现可大幅加快该过程。 此外，JN516x 还具有二十个通用型数字 I/O 引脚，以及两个专用的数字输出。

未来线路图

高度集成的无线片上系统的另一个示例是Silicon Labs 推出的采用 ARM Cortex-M3 内核的 EM358x 系列（图 3）。

图 3：Silicon Labs 的 EM358x 系列无线 SoC 框图。

该系列还具备一个 2.4 GHz、符合 IEEE 802-15.4 标准的收发器。据 Silicon Labs 所述，这一系列采用了一个高效架构，超出了 IEEE 标准规定的动态范围要求 15 dB 以上。 使用集成的接收通道滤波意味着，使用此系列 SoC 的器件可与使用 2.4 GHz 范围的其他器件共存；这是智能家居的一个重要因素，因为对于许多（如不是全部）家用电器来说，预期是启动无线功能的。

它在硬件中集成了许多 MAC 功能、AES128 加密加速器和自动 CRC 处理，其中包括自动 ACK 传输和接收、传输的自动回退延迟和空闲信道评估，以及收到的数据包的自动滤波。 Ember 数据包追踪接口还与 MAC 集成在一起，可以完整、非侵入式捕捉进出器件的所有数据包，且专门与 Ember 开发工具一起使用。

此处描述的两个系列无线 MCU 专为实现ZigBee 协议而开发和定位，该协议已在智能家居应用中部署，但最近出现的线程协议预计会因其独特功能而对面向智能家居的器件开发产生显著而积极影响。 许多可支持 ZigBee 的 SoC 也将支持线程，因此为开发商和 OEM 提供了路线图。

结论

智能家居将采用各种技术，包括智能电表、网关和家电。 尽管并非所有智能家居都可通过无线方式实现连接，但随着 ZigBee 和线程等无线技术的不断发展，大量智能电器将使用无线通信作为其连接家庭网关的主要（如不是唯一）形式。

IPv6 的继续发展是这一演变的基础，可以说线程是这一方面的首选协议，因为它专为利用互联网地址扩展而开发。 这将促使各种最终应用连接到家中，同时产生对一系列新设备的需求。

在短短几年之后，房主也许可能会问自己，在无法从联网世界的任何地方监视与控制家居的各个方面时，他们曾经是如何进行管理的。