从存在检测到生命感应：英飞凌解决物联网系统挑战

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从存在检测到生命感应：英飞凌解决物联网系统挑战

1. 引言

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物联网 (IoT) 正在兴起。智能设备正在释放技术优势，帮助人们创造附加值，提高工业生产率。然而，物联网也带来了许多挑战，如新技术的复杂性，以及需要获取和处理数据来做出明智的决策。换句话说，将产品特性转化为系统解决方案是一个挑战。英飞凌提供基础 XENSIV 可立即部署连接传感器套件的解决方案来应对这些挑战。该套件是简化和加快新应用和创新用例开发的原型平台。

尽管定义了物联网 (IoT) 物联网通常被称为连接到互联网的物网络。物体是配备传感器、执行器、处理能力和连接的物理对象。物联网世界中的设备通常被定义为智能设备。智能部分主要用于触发动作，以收集和解释传感器数据的结果。这需要连接到互联网或特殊云，使设备能够相互交互，在网络中交换数据，并进行远程控制。这样，物联网技术就可以帮助人们解决社会挑战，给人们带来好处，提高行业生产率。

数十亿台互联网设备已投入使用，预计这一数字在未来将稳步增长（图1a）。物联网基础设施是智能家居市场增长的最重要驱动力之一。 Statista 的数据，到 2027 年，全球家庭的智能设备数量将翻一番（图1b）[1]。

图1a. 2019-2030 全球物联网互联网设备数量(以十亿计)

图1b. 在不久的将来，智能家居分析中包含的所有产品类型都将实现巨大的增长

2. 释放物联网的力量

每个物联网解决方案的核心是微电子：传感器、执行器、微控制器、通信模块和安全组件。这些组件使系统能够测量和处理相关的环境数据，并连接到互联网。然而，仅仅访问物理模块来构建一个成功的物联网设备是不够的。这些模块还必须能够快速有效地集成到网络中，大量数据必须以智能的方式处理，并建立稳定和安全的云连接。

为了克服这些基本挑战，进一步加快发展，英飞凌提供了一个快速、轻松、安全地实施物联网理念的专用开发平台。XENSIV 连接传感器套件 (CSK) 支持基于英飞凌雷达、环境传感器等传感器的快速原型设计和开发，是英飞凌第一个物联网传感器平台(图2)。希望快速设计和部署物联网解决方案的客户可以访问英飞凌的综合开发生态系统，包括综合传感器库、传感器和连接用例的应用代码示例。所有这些特征都能显著缩短客户的智力家居或智能从概念验证到物联网设计完全开发的时间。

图2. 英飞凌 XENSIV 连接传感器套件 (CSK) 配备了 XENSIV BGT60TR13C 雷达和 XENSIV PAS CO2 传感器。欲了解更多信息，请点击访问

3. 英飞凌物联网平台的建设

XENSIV 连接传感器套件 (CSK) 包括四个基本建筑块(图3):

图3. 英飞凌 XENSIV 连接传感器套件中的组件

3.1 感测

传感器赋予物联网设备人类感官，建立态势感知。在英飞凌众多传感器产品的组合中，XENSIV DPS368 气压、XENSIV BGT60TR13C 雷达和 XENSIV PAS CO2 集成了传感器 CSK 中。未来将继续添加其他传感器。感知元件在参考设计中非常独特，还包括稳压器、电压转换器和振荡器等所有必要的元件 [2]。在设计和测试阶段节省了大量的时间和资源，降低了技术风险 BOM 成本。

3.2 计算

微控制器 (MCU) 处理获得的数据，做出决定，并与设备协调通信。微控制器在物联网领域的要求与物联网应用本身一样多样化。CSK 采用 PSoC 62是专门为物联网设计的低功耗、高性能 32 位 Arm MCU。通过应用代码示例 ModusToolbox 提供软件环境可以基于PSoC 更容易对平台进行评估和开发。代码示例包括三层：1. BSP(板级支撑包)，包括时钟、外设和参考评估板引脚的配置说明；2. 包括和 XENSIV 传感器连接的函数；3. 算法层包括从传感器原始数据到处理应用输出的整个信号处理链。

3.3 连接

基于上述概念，英飞凌专门开发了LED驱动电源的NFC控制芯片NLM0010和NLM0011，包装非常紧凑SOT-23、5脚封装，功能丰富。可在出厂前设置，也可在终端客户安装前根据不同光源设置，大大简化了设计和使用。模块需要连接到物联网，使设备相互通信，并与云实现通信。英飞凌的小物联网设计 CSK 提供了 AIROC 双频集成在单芯片解决方案中 2.4 GHz 和 5 GHz Wi-Fi 4 (802.11n) 和蓝牙 5.0。我们使用软件资产(软件实例部分) CSK 演示了 MQTT 实现客户端。MQTT 开源发布/订阅通信协议在物联网中非常流行，因为它可以跨平台使用，同时占用最小的带宽。在空间上解耦发布器(端)和订阅器(端)(相互独立)。连接到配置的客户端 MQTT 代理：客户发送消息(发布器)传达传感器事件，并从代理接收消息(订阅器)。用户无需为客户端识别生成证书和密钥；英飞凌负责帮助您实现这一点。

3.4 安全

安全是物联网的基础，因为只有在嵌入式系统中有足够的安全和隐私，才能建立必要的信任，以增强和充分探索物联网的可能性。这是英飞凌 OPTIGA Trust M 其优点是嵌入式安全解决方案和使用 CSK 安全移动连接提供了理想的解决方案。运行 OPTIGA Trust M 设置时，可从主机库中受益，主机库专用 API 为了与安全芯片交互，还可以从相互验证、安全通信、数据存储保护和安全 OTA 受益于软件更新等示例应用。

4. 支持 CSK 的用例

获取、处理和解释数据的能力以及与其他设备通信和连接的能力正成为降低功耗、提高各种环境安全甚至使我们的日常生活更加舒适的强大工具。

例如，为了通知附近是否有人类目标，对智能设备的功能有很高的要求。照明、声音、加热、制冷、通风和门禁系统可以从这些信息中受益，及时激活，提高用户舒适度，节约能源。基于雷达的高灵敏度，英飞凌不仅能检测宏观运动，还能检测微观运动。用户与设备的交互会变得更加自然，因为用户不需要在感知元件之前挥手，以确保设备反应。传感器集成和算法开发是主要挑战，但英飞凌 CSK 可以在这方面提供帮助，可以为现有检测提供参考设计和可立即部署的用例。

另一个用例体现在医疗保健和健康上:英飞凌 XENSIV BGT60TR13C 雷达传感器可以检测心肺活动引起的引起的微妙运动。在不直接接触或记录隐私敏感信息的情况下，英飞凌的雷达解决方案可以保证呼吸和心跳的持续监测。持续的生命体征跟踪可以用来提高我们的健康意识，并帮助医疗保健专业人士研究生命体征信号与年龄、性别和生活习惯之间的关系。该解决方案为不同群体的健康和幸福提供了及时的信息：老年人可以在家里不断监测，从而减少去医院和医生诊所的次数；你也可以在晚上监测婴儿，这样父母就可以更方便和放心，不需要经常检查育儿室。

CSK 与 XENSIV PAS CO结合传感器，可实现持续的空气质量监测。通风不良会降低氧气含量和二氧化碳（CO2）积聚。即使是中等浓度 CO2 当浓度达到时，也会对健康和工作效率产生负面影响 1000 ppm 人们开始感到困倦，难以集中注意力。如果 CO2 当房间内空气质量恶化时，传感器可以立即发出警告，这当然是一件好事。然而，为了充分利用互联网世界的可能性，CO2 传感器预计将先将此类警告发送到自动化系统，然后通过调整通风系统或自动打开窗户来做出反应。由于通风系统、空气净化器和恒温器的实时控制 CO2 智能家居的监控系统可以从改善空气质量和更舒适的环境中受益。

需要考虑的一个方面是节能的巨大潜力，因为互联网设备只能在用户范围内激活。 [3] 约 50% 能源消耗来自建筑和工业供暖和制冷系统。例如，配备英飞凌 CO2 传感器通风系统可节省高达 55% 的能耗 [4][5]。当建筑配备额外的智能恒温器和建筑自动化系统时，节能效果会更好。

图4. XENSIV 连接传感器套件支持的创新示例

一些用例(图4)已被用作可部署的物联网解决方案 CSK 实施。然而，英飞凌的物联网开发平台为新用例的实施做好了准备：工程师可以简单地使用现有的代码示例来探索无数未来的应用程序，这可以给用户带来更多的舒适和方便，但也更环保。

这两个IC使用非常简单，硬件电路主要涉及IC输出信号设计，Vcc天线设计。

5. 结论

开发可靠的智能解决方案需要多个组件的合作——这对工程师来说是一个真正的挑战，特别是考虑到大量可选的制造商，并掌握每个组件所需的深度知识。无线与嵌入式系统的相互作用不容忽视，安全、云集成和能源管理也不容忽视。此外，为了控制互联设备的行为和反应，必须收集、合并和处理环境数据。处理这些挑战非常耗时，需要大量的专业知识。使用英飞凌 XENSIV 连接传感器套件可以加速物联网设备的开发：该套件不仅能收集准确、多样化的数据，还能充分利用情况感知。

6. Alessandra Fusco 高级工程师系统应用

Alessandra Fusco 目前在慕尼黑英飞凌科技有限公司担任物联网传感器系统组技术总监，是一名经验丰富的系统应用工程师。她专门研究消费者应用的算法和系统设计。目前，她正在研究结合传感器、边缘分析和连接的创新应用解决方案。该方案适用于从超声波目标跟踪到雷达生命感应算法开发的应用。过去，Alessandra 研究范围涵盖了从构思到解决方案上市部署的整个产品开发周期。

7. 文献

[1] Statista，家庭变得越来越智能。 https://www.statista.com/chart/27324/households-with-smart-devices-global-iot-mmo/

[2] 有关 KIT_CSK_BGT60TR13C https://www.infineon.com/cms/en/product/evaluation-boards/kit_csk_bgt60tr13c/ 和KIT_CSK_PASCO2https://www.infineon.com/cms/en/product/evaluation-boards/kit_csk_pasco2/更详细的信息，请参阅用户手册。

[3] 欧盟委员会，供暖和制冷。 https://energy.ec.europa.eu/topics/energy-efficiency/heating-and-cooling_en

[4] 占用检测通过环境感知进行，Jin 等人。2016

[5] 占用驱动恒温器对住宅楼的节能影响，Wang 等人。2020

8. 信息框– ModusToolbox

英飞凌的 ModusToolbox 该软件是一个现代、可扩展的开发环境，支持广泛的英飞凌微控制器件。该软件提供了一套灵活的工具，以及以应用为中心的多样化、高质量的软件集合。它包括配置工具、低级驱动程序、数据库和操作系统支持，其中大部分 Linux、macOS 和 Windows 托管环境兼容。