智能家电中的无线智能设备平台的组建

无线连接正在实现更智能的设备，可以与家中和互联网上的其他设备进行通信。选择正确的无线协议，你就有了一个良好的开端。

在厨房或浴室角落闲置的单调家用电器的日子已经结束。今天的家电是时尚，功能性的设计，是创新的，是大多数现代家庭的中心。智能家电是近年来获得重要立足点的家电设计技术趋势之一。这些设备采用尖端技术，包括通过家庭和网络与其他设备进行无线通信的能力。

智能设备制造商看到了巨大的经济机会，不仅可以直接与现场设备通信，还可以与这些设备的用户。远程诊断和固件升级等服务可以更加无缝地为用户服务。通过消除通过无线连接重新布线家庭的成本和障碍，消费者也可以获得经济效益。

在当今的市场中，智能家电的绿色应用已经开始出现，以能源使用和监控为中心。 Google PowerMeter等服务使消费者能够即时访问其能源使用数据。反过来，获得这些信息已经为消费者提供了动力，可以采取措施，例如签署由其公用事业公司提供的节省成本的能源使用计划。公用事业公司正在快速部署连接到家庭区域网络（HAN）的支持无线功能的智能电表，这使他们能够为智能电器提供负载控制功能。优点是公用事业公司可以更好地调节他们的能源需求，收集有价值的实时使用数据，并为他们的客户提供更合适的服务层。利用所有这些信息，公用事业公司可以更准确地预测和规划未来的基础设施扩展。

制造商能够通过将两个关键构建模块集成到他们的产品中 - 无线技术和高级微控制器，将无线智能设备快速推向市场。

图1：智能家居。此外，大型科技公司最近联手组建了联盟，这些联盟定义了这些智能无线设备如何相互通信的框架。这些发展的最终效果是在智能家电的应用领域内释放出设计创新。我们正在迅速接近这样一个时代，即生活在一个价格合理的智能家居中，这个家庭拥有许多无线连接的智能设备，如图1所示。但是，这些创新并非没有很多设计挑战。本文将讨论其中一些挑战，以及在选择智能设备中使用的技术时所涉及的权衡。它首先选择使用哪种无线协议无线技术选择

在无线网络协议方面，智能设备制造商有许多可行的选择可供选择。其中一些选择包括嵌入式Wi-Fi，ZigBee和专有协议，如Microchip的MiWi开发环境。

Wi-Fi是使用最广泛的无线协议。它是有线以太网协议的无线等价物，构成了当今互联网的支柱。通常，Wi-Fi在高性能计算机上运行，这些计算机可以处理数据密集型应用程序。与传统的Wi-Fi相比，嵌入式Wi-Fi可以执行单个或非常有限的功能，例如传输静态图像，但数据速率相对较低。

嵌入式Wi-Fi在任何Wi-Fi中都具有明显的优势启用的智能设备能够通过Web轻松进行通信。支持1-5 Mbps的典型数据速率，这使其适用于控制和监控应用。嵌入式Wi-Fi在普遍可用的2.4 GHz频谱中运行。该频谱是一个开放的免许可频段，因此正在被其他无线技术使用。

制造商可以使用的另一种无线选择是ZigBee。虽然嵌入式Wi-Fi以大约Mbps的数据速率运行，但ZigBee的最大数据速率为250 kbps，符合IEEE 802.15.4无线电标准。 ZigBee将自己定位为无线传感器网络的低功耗和低数据速率无线协议。支持ZigBee的智能设备可以以极低的功耗运行，同时利用廉价的微控制器，如采用极低功耗（XLP）技术的Microchip PIC单片机。其他ZigBee优势包括其强大的数据安全模型，互操作性以及其在许多应用领域的不断扩展的应用。与Wi-Fi类似，ZigBee在2.4 GHz频段内运行，利用16个定义的信道，在信道跳频和频率捷变方面具有灵活性，以避免噪声和干扰。正如其与Wi-Fi联盟和HomePlug联盟的合作伙伴关系所证明的那样，ZigBee联盟正在继续加强其互操作性凭证。 ZigBee与Wi-Fi一起被美国SmartGrid联盟选为可行的网络技术。

图2：Microchip的FCC/ETSI认证IEEE 802.15.4/ZigBee模块和XLP PIC单片机。

智能设备制造商可以使用的另一种选择是使用专有的无线协议，例如Microchip的MiWi开发环境。专有协议提供许多优势，包括易于定制特定目标应用程序;与开放标准协议相比，缩短了开发时间;复杂性较低;并且易于部署。它们还为创新和知识产权创造提供了许多机会。不需要开放标准协议通常要求的专业认证，这可以显着节省成本。此外，所有这些都可以使设备成本更低，从而加快产品上市速度。但是，与其他制造商的产品缺乏互操作性可能会导致设备市场细分较窄，或者需要开发网关设备才能转换为其他无线网络。

您可以查看三个无线网络的功能比较本文讨论的技术见表1.

开放标准软件复杂性数据速率Wi-Fi是高1-5 Mbps ZigBee是中250 kbps专有无低变量表1：智能家电三大无线技术的功能比较。结果数据安全性

网络数据安全性至关重要，因为设备之间可能传输的信息具有敏感性。 Wi-Fi和ZigBee的安全性基于强大的AES-128算法，并且分别在IEEE 802.11和IEEE 802.15.4规范中描述的框架内操作。用于建立和传输安全密钥的方法以及设备的认证都由每个规范定义。选择专有无线协议的智能设备制造商在选择适当的安全算法和服务时面临着额外的挑战。

独立于所选择的加密算法，每个制造商必须注意两个重要的安全相关因素。首先是加密算法是否受出口管制法律的约束。包含软件或硬件算法的产品必须限制其密钥长度或获取特定的导出授权。无论它们是基于硬件还是软件，加密算法都具有相同的限制，并且必须遵守所有出口控制法则。其次，无论加密算法的鲁棒性如何，如果密钥被泄露，数据完整性将受到严重损害。因此，保护钥匙本身至关重要。设备制造商应该设计一种适当的密钥保护方法。

智能设备平台

无线智能设备通常建立在一个包含三个主要子系统的平台上：微控制器作为设备的大脑;无线协议栈，定义网络中设备之间的逻辑连接;以及处理无线传输数据包的RF收发器。今天的制造商有各种各样的微控制器可以围绕这些微控制器设计他们的智能设备平台。主要选择标准之一是微控制器的成本。其他标准是其程序的大小和内存，功耗，外围设备的可用性以及处理速度。

智能设备平台的另一个重要子系统是无线协议栈。其操作决定了设备如何通信，单个家庭局域网（HAN）上可以有多少设备以及最大数据吞吐量。协议栈通常是应用程序固件中最复杂的软件模块。如果堆栈的软件已经可用，则可以大大减少智能设备的开发时间。此外，供应商堆栈在其所有微控制器系列中的可移植性至关重要。这使开发人员能够灵活地选择最适合给定平台的8位，16位或32位微控制器，同时保持相同的协议栈功能和特性。

RF收发器完善了主要组件。智能家电平台，处理无线传输数据包的职责。 RF收发器与无线协议的选择决定了智能设备可以运行的环境。如果低功率应用需要通过诸如墙壁之类的障碍物进行无线通信，那么Sub-GHz收发器可能更合适。相比之下，2.4 GHz等更高频段可以在需要更高数据吞吐量的应用中做出更好的选择。传统上，RF收发器设计是一项非常复杂的工作。为了帮助缓解这种复杂性，制造商设计了完全集成的FCC/ETSI认证RF模块，例如Microchip的MRF24WB0MA嵌入式Wi-Fi模块。这些模块包括RF收发器，功能天线和支持RF电路。设备制造商可能只是将这些模块包含在他们的设计中，而不是从底层向上获取RF专业知识来设计收发器。使用模块可以缩短产品上市时间，风险和开发成本平台的所有三个组件之间存在强烈的相互依赖性。 Microchip等OEM已经认识到这种相互依赖性，并开发了适用于智能设备开发的完整平台。例如，Microchip的无线开发环境包括支持具有足够MIPS和存储器的8位，16位或32位微控制器的任意组合;射频收发器均为2.4 GHz和Sub-GHz频谱;多种无线协议，包括Wi-Fi，ZigBee，RF4CE和MiWi专有技术。

设计注意事项

设计人员在开发无线智能设备时遇到的一个常见缺陷是未能及时验证其设备。例如，选择无法向上扩展以满足未来大型网络需求的无线技术是一个问题。一个设计考虑因素即使这些智能设备采用最新技术，其界面应该干净，直观，并且对用户来说简单，否则这些设备可能无法在市场上获得广泛认可。

通常，设计师未能考虑其智能设备所在的物理和RF环境。因此，在设计器件时必须考虑诸如湿度，壁厚和微波存在等因素。设备的样式及其功能应该具有凝聚力，这样前者不会降低设备的性能。

还应考虑设备的认证，特别是那些采用开放标准协议的设备。产品的认证是必须在产品销售之前完成的关键里程碑。

结论

在本文中，描述了构成无线智能设备平台的主要组件。这些组件是微控制器，协议栈和RF收发器。每个子系统的创新使智能设备制造商能够将无线通信功能集成到他们的产品中。随着这些创新带来了设计挑战，例如选择适当的加密算法并确保随着设备需求的增长，这些设备运行的无线网络可以向上扩展。消费者和制造商都将从这些新的无线智能设备中受益，因为公用事业公司等实体提供基于这些设备的有用，节省成本的产品和服务。 Google PowerMeter和负载控制服务就是两个这样的例子，每天都有更多此类服务可用。