有別于以往所經歷過的一切，我們來到了聯機與便利新時代的開端。物聯網（IoT）有望實現隨時隨地了解及掌握居家和工作環(huán)境的愿景，它或許已然降臨，就好比杰弗里·摩爾（Geoffrey Moore）所說的“鴻溝（Chasm）”，你是站在哪一側？如今通過聯網可以聯機監(jiān)控居家環(huán)境，確保家人安全無憂，使家中的能源獲得最妥善的運用，查看寵物，而這一切皆能在家里或在路上就能搞定。其中的引爆點在于，有極少數創(chuàng)新的消費產品與服務，即使是最近的采用者都無法忽略。此后，物聯網的到來就毋庸置疑了。
假如這種情況還沒有發(fā)生，公司的管理團隊不久后也會推出產品來參與物聯網。各位要如何應對？好消息是，物聯網的應用如今有很多現成的應用的協(xié)議棧架構，就等著各位和所屬團隊來發(fā)揮本身的創(chuàng)意專長。在本文中，我們將探討家居互連的常見架構，以及有助于駕馭物聯網的技術考慮。
大家都想要把握住家與家人的安全，而唯有在失火或失竊時，這方面的需求才會浮現在我們的腦海。有些新創(chuàng)公司和有線電視業(yè)者已針對家居互連推出了產品，以提供消防、安全和便利方面的服務。典型的家居互連系統(tǒng)架構包含了一些從簡單到復雜的感測節(jié)點、有網關可供無線上網并且可能需提供本地化智能系統(tǒng)的無線網絡，以及鏈接移動裝置的云端服務。類似的家居互連架構如圖1所示。
嵌入式系統(tǒng)設計人員在設計網關或感測節(jié)點時，必須考慮到有沖突的需求，舉例來說像是處理速度、存儲容量、法規(guī)考慮、功耗、系統(tǒng)延遲、聯機選擇、系統(tǒng)分隔、安全要求、互操作性、未來的遷移和系統(tǒng)成本。
圖1：家居互連
系統(tǒng)網關可能是有線電視機頂盒，也可能是獨立的系統(tǒng)。典型網關架構范例可參見圖2。網關的微控制器（MCU）最有可能采用基于ARM的Cortex-M或Cortex-A型處理器搭配上鏈接選擇，如以太網絡、Wi-Fi、ZigBee和sub-GHz/ISM。在挑選最理想的微控制器時，所要考慮的包括通訊協(xié)議棧和網關服務的存儲容量與處理要求、“實時”或脫機運作的系統(tǒng)延遲要求，以及聯機。在挑選無線射頻子系統(tǒng)時，所要考慮的則包括當地的法規(guī)（FCC、ETSI等）、要不要連結至更大的生態(tài)系統(tǒng)（此時就必須有標準），或是協(xié)議堆棧要求、鏈路預算（以轉換為無線射頻的范圍）和系統(tǒng)成本，假如系統(tǒng)是自成一體的話（可采用專屬協(xié)議棧）。無線接收器的能耗與系統(tǒng)架構息息相關，因為它會影響到感測節(jié)點的范圍與電池的壽命。
迷你網關在把感測和環(huán)境數據傳到云端時，只會通過以太網絡或無線射頻子系統(tǒng)，所以使用較小、較便宜的Cortex-M型處理器應足以應付，特別是將通訊的協(xié)議棧要求降到最低。迷你網關的優(yōu)點在于，節(jié)點之間的情報與互操作性可以靠云端服務來管理，但缺點是可能要繞上一圈來等待云端服務處理并回復指揮與控制指令。另一個極端則是“智能型”網關，它提供本地指揮與智能控制，并具有最小延遲與全功能的優(yōu)點 - 假如云端斷線的話。不過，智能型網關的應用必須管理商業(yè)邏輯，在支持系統(tǒng)升級方面也必須經得起未來的考驗。沒有人希望今天所買的無線照明控制系統(tǒng)到明天就要換新的網關。
圖2：家居互連網關架構范例
聯機住家的基本節(jié)點可能是大門傳感器、無線照明或煙霧偵測器，如圖3所示。微控制器大部分使用低功耗的8位器件或32位的ARM Cortex-M型器件。在挑選最理想的微控制器時，所要考慮的存儲容量與處理要求包括無線射頻協(xié)議棧與傳感器管理、能源消耗、小封裝及成本。在挑選無線射頻協(xié)議時，所要考慮的則包括功耗、鏈路預算和成本。無線連接的選擇一般包含了專用的sub-GHz/ISM協(xié)議棧、ZigBee、藍牙或Wi-Fi。在這些選擇中，sub-GHz和ZigBee是居家自動化最常使用的協(xié)議，因為它們最具能源效率、長效的電池壽命（一般是三至五年），以及廣大的范圍以偵測室內各區(qū)的感測節(jié)點，以避免經常更換電池的麻煩。對許多無線感測節(jié)點的應用來說，藍牙缺乏足夠的范圍，因為它不支持中繼器。藍牙對電源的要求也遠高于ZigBee。Wi-Fi所需要的耗能大過ZigBee和sub-GHz，所以并不適合以電池供電的應用，因為電池無法輕易充電。
對于sub-GHz的星形節(jié)點或泛洪的（flooding-capable）無線射頻協(xié)議棧以及像感測節(jié)點這種空間受限的應用，最省成本的解決方案或許是小封裝、超低功耗的8位微控制器和無線射頻接收器，或是將微控制器和接收器整合在一起的系統(tǒng)單芯片。對于ZigBee網狀網絡應用，最佳的選擇是將微控制器和無線射頻子系統(tǒng)整合在一起的系統(tǒng)單芯片，尤其是在印刷電路板這種對于空間錙銖必較的地方。在尋找微控制器和無線射頻接收器時，供貨商要能提供低功耗的8位和32位的ARM Cortex-M型微控制器以及無線系統(tǒng)單芯片，并滿足無線射頻協(xié)議棧的布建要求加以簡化的開發(fā)工具。
圖3：基本的感測節(jié)點架構
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