用MCU打造智能恒温器_从功耗通讯/人机介面逐个击破

电子工程师 2018-02-14 1163

便携设备

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描述

在物联网风潮的驱动下，恒温器已朝向物联网与智慧化发展。微控制器（MCU）开发商遂推出低功耗，且具备段式LCD显示控制与Wi-Fi/蓝牙/ZigBee无线连结支援能力，以及256位元AES先进加密功能的新方案，助力智慧型恒温器应用发展。

目前，市场上涌现出越来越多的物联网（IoT）恒温器产品。本文阐述如何使用微控制器（MCU）打造IoT恒温器，并以爱特梅尔（Atmel）SMART SAM L22 MCU为例，同时也介绍此MCU作为段式液晶显示器（LCD）控制器平台实现恒温器应用的功能。该MCU内置一个主频32MHz的ARM Cortex-M0+处理器，拓展该公司现有的低功耗MCU系列。它专为本文描述的恒温器等人机介面（HMI）应用而设计，内置一个支持上至三百二十段的段式显示控制器、一个用于实现按键、滑块和滚轮的外接周边设备触摸控制器（PTC）以及USB、Timer、SERCOM等可配置为USART、SPI和I2C介面的其他众多外接的周边设备。低功耗/通讯/安全性　IoT恒温器必备功能

IoT应用强调万物联网，因此IoT恒温器也须具备联网通讯功能，此外为因应设备功能与资料传输增多，其亦须符合低功耗、安全性和简易使用的人机介面等特性。

低功耗

与其他很多IoT应用一样，功耗是IoT恒温器的重要考虑因素。IoT应用通常是电池供电型，或者用户希望它们比之前型号在提供更多功能的同时，减少电量消耗。 SAM L22 MCU专为低功耗应用而设计。使用快闪记忆体进行EEMBC Coremark测试时，其工作模式下的功耗低于39μA/MHz，待机模式下的功耗仅为1.87μA（RTC处于工作状态时）。此MCU之所以能实现上述低功耗，凭藉的是其独特设计和众多特性。例如功率级特性让其能为具体任务选择正确的性能。控制器能将内核电压从1.2伏特（V）迅速切换到0.9V。降低内核电压可大幅降低总功耗，因为中央处理器（CPU）的功耗随着频率和电压的升高而增加。当内核电压为0.9V时，CPU的最大频率为12MHz；而当内核电压为1.2V时，CPU的最大频率为32MHz。例如当内核电压为0.9V，频率为12MHz时，该MCU计算一次斐波那契数列须消耗28μA/MHz；当内核电压为1.2V，频率为32MHz时，同样计算却须消耗37μA/MHz。

除了一个低压差稳压器（LDO）之外，该款MCU还内置一个降压转换器。此前的功耗是采用降压转换器和3.3V电压测量。在此电压下，降压转换器的工作效率最高。这比LDO的效率高出很多，能实现低功耗。

此MCU的另一个优势是直接记忆体存取（DMA）和事件系统（Event System），它们能在无需CPU参与的情况下，实现资料通讯和控制外接的周边设备。各个外接的周边设备在独立执行任务或相互控制时，Cortex-M0+处理器可进入睡眠状态。

这款MCU的模拟功能也是专为此类低功耗应用而设计的。12位1MSPS类比数位转换器（ADC）可在10Ksps和单端模式下测量温度感测器，仅需60μA用于模数转换。

通讯

其次，IoT应用须通过射频（RF）与互联网、智慧手机、感测器、致动器或其他IoT设备通讯。此MCU提供多个输入/输出（I/O）介面，用于连接各种RF模组和其他外接的周边设备。它最多可配备六个片上SERCOM外接的周边设备，足够用于将更多元件连接至恒温器。每个SERCOM外接的周边设备可被配置为USART、UART、SPI或I2C。Atmel SmartConnect WINC3400 Wi-Fi/蓝牙组合解决方案或面向ZigBee设备的SAM R21都可以通过I2C或SPI连接该款MCU。内置USB可用于实现其他有线通讯。该USB是一个无石英的全速USB设备，这意味着无需精准的外部振荡器，从而降低应用的物料成本（BOM）。

安全性

所有IoT应用都必须有重要元件：安全性。为了实现安全的通讯，该款MCU配有一个256位元的先进加密标准（AES）外接的周边设备。它可以在不增加软体开支的情况下进行加密和解密。此外，它还支援多种模式，如密码段连结模式（Cipher Block Chaining）、伽罗瓦计数器模式（Galois Counter Mode）等等。

AES外接的周边设备内置抗差分功耗分析攻击（Differential Power Analysis Attacks）措施。通过差分功耗分析，攻击者能得知控制器的功耗，并利用这些资料探测出加解密金钥。

通过采用这种方法，AES外接的周边设备能随机增加加解密运算的周期，加大攻击者探测出金钥的难度。此MCU还内置一个真乱数产生器（TRNG）外接的周边设备，它能生成真乱数的所有八十四个周期。这个数对于加密至关重要，因为真乱数不能被预测，因此也不能通过数学方法被计算出来。乱数可用于通过IP网路进行身份验证。

加密金钥可保存在备份区暂存器、快闪记忆体或静态随机存取记忆体（SRAM）中。为了提高安全性，此MCU内置一个防篡改单元，它能检测出是否有人试图打开恒温器。防篡改引脚与恒温器的外壳相连。当攻击者通过机械方式打开恒温器的外壳时，防篡改线将断裂，从而检测到篡改攻击。

在这种情况下，防篡改单元将发起“事件”，内核则执行相应的软体功能，删除SRAM、串列电子抹除式可复写唯读记忆体（EEPROM）、快闪记忆体或其他外部记忆体中的加密金钥或其他资料。

为进一步增强安全性，该MCU还内置活动层防护（Active Layer Protection）功能。

讯号通过印刷电路板（PCB）/外壳发送到防篡改输入埠。程式将对该输入讯号与输出讯号进行对比，如果不匹配，则检测到篡改。如果攻击者在PCB上钻孔，并剪断PCB上的防篡改线，该功能也将检测到篡改，并发起“事件”。

人机介面

同样重要的是，IoT应用需有人机介面（HMI）或使用者介面。该IoT恒温器功能由最终用户通过智慧手机控制。但它须提供一个手动更改和监测温度的选项，因为智慧手机有可能发生故障或者丢失。

在这种情况下，内置的段式LCD显示器可向使用者显示温度和其他资讯。段式LCD控制器最多可控制三百二十个段，而且能从五十二个LCD I/O引脚中选择四十八个LCD引脚。设计人员还可选择未使用的LCD引脚，用于实现SERCOM等协助工具或模拟功能。

此外，SLCD控制器还支持各种用于降低功耗的功能。例如可通过DMA将资料从SRAM/快闪记忆体发送到显示器缓冲区。

硬体特征映射、自动位元映射（ABM）和闪烁（Blinking）功能能以极低的功耗改变段式LCD上显示的内容。这种改变无需大功率内核。很多恒温器在它们的显示器上显示当前时间。闪烁功能用于显示秒，同时也是段式LCD控制器的一个硬体功能。

除了能通过无线区域网路（WLAN）或蓝牙远端更改设置或温度之外，使用者还能在恒温器上执行这些任务。此MCU支援Atmel QTouch技术，其中包括采用互电容触控技术和自电容触控技术的按键、滑块和滚轮。该款MCU可为此类应用提供足够多的触控通道。借助Atmel技术，触控按键直接整合到段式LCD的铟锡氧化物（ITO）层上。触控输入可用于升降温度，或选择其他房间中的加热器或感测器。

智慧/触控控制　恒温器更聪明

该款恒温器藉由RF监测不同房间中的无线温度感测器，并控制其中的加热器。使用者可通过WLAN或低功耗蓝牙协议、家用网路或互联网，并使用智慧手机对其进行控制，或直接使用触控按键进行控制。

此MCU内置的ADC能测量恒温器周围的温度，其对来自温度感测器的外部数值进行数位化处理。内部温度感测器可用于控制外部数值，以便进行交叉核对。而MCU的内部温度感测器提供两点测量功能，精度为±1℃（0∼60℃）。

另一条ADC通道也可用于测量电池电压。欠压检测（BOD）功能可检测出较低的电压，并自动关闭系统，以防出现故障。

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