设计一款智能锁需要考虑的五个方面

贸泽电子设计圈 2020-05-12 00:00

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在本篇文章中，我们以智能锁系统为例，讲解如何将众多物联网领域的相关技术集成在一起，成为一个系统。对一个智能锁来说，需要考虑连接性、用户界面、系统安全、系统处理和电机控制五个方面。

图1：智能锁的系统级实现方案

高端智能锁内部的嵌入式系统需要处理多重任务，包括显示驱动、触摸感应、指纹识别、接近探测感应、电机控制、锁状态/破坏行为检测、无线Wi-Fi和BLE连接，以及系统安全和处理。为了加快开发速度，降低制造成本，设计人员正在尝试采用SoC，在灵活且超低功耗的架构中集成这些功能。此外，集成方法也便于OEM厂商紧跟持续变化的标准，设计出符合新要求的产品。

下面逐一介绍集成型SoC内嵌的各项功能。

连接性

BLE：BLE用于智能锁配置、重置和远程认证。对于智能锁来说，BLE是一项必备功能。内置BLE功能的单芯片SoC有助于显著降低系统的成本、尺寸和设计复杂性。

Wi-Fi：除了能够与移动电话或智能手表进行通信以外，先进的智能锁也需要能够与智能家居中的其他设备进行通信。Wi-Fi连接可提供一系列先进功能，例如实时查看进出日志，通过互联网智能锁进行全方位控制，等等。此外，考虑到物联网标准的快速演进发展，为了确保家中电器的功能与时俱进，需要能够实现安全启动的无线（OTA）更新功能。

用户界面

显示： 高端智能锁配备TFT或OLED显示器。一般情况下，这类小型低成本显示器使用并行RGB接口（也称为Intel 8080接口）。与其他接口相比，RGB接口能以合理的刷新率驱动显示器。综合使用PWM、DMA和可编程数字I/O（即“智能”I/O），无需使用更高成本的MCU（集成专用图形硬件引擎），就能驱动并行显示器。

用户输入：密码型门禁需要接受来自用户的输入。实体按钮会占据额外空间，影响智能锁的使用寿命。因此，可以使用电容式感应触摸控制搭配显示驱动的设计，提供一体化用户界面。

系统安全

数据安全： 由于用户的指纹数据存储在设备内，因此安全性至关重要。面向智能锁应用而设计的嵌入式系统需要提供安全存储、安全运行和安全通信功能，以保护上述敏感信息。以可靠、高性价比的方式确保安全性，不仅需要具备片上加密功能、集成安全无线连接，还要采用相关的机制，保障内外部存储器中个人数据的安全。

指纹感应与接近检测： 作为密码型门禁的替代方案，指纹认证也能够有效保障安全。然而，为检测触摸而不断扫描指纹传感器却不利于节能。为了最大限度缩短扫描时间，可以通过电容式感应技术实现接近检测，提高能效。具体而言，就是在指纹传感器附近布设电容式接近传感器，当手指靠近指纹扫描板几厘米时，启动检测指纹。这使得系统在待机模式下能够完全关闭指纹传感器及相关电路。在接近传感器检测到手指时，系统有充足的时间为指纹传感器加电，为检测指纹做好准备。

通过电感感应实现机械安全：电感传感器可以探测到金属的接近。这一功能在多个场景下可提供帮助。例如，检测门栓是否安全到位，检测任何试图破坏智能锁的行为，包括强力拆除滑盖或造成锁体变形，等等。一旦电感传感器检测到破坏行为，就会向屋主发出警报或线上告警。

系统处理

Arm Cortex-M4这样的高能效CPU内核负责完成所有处理工作，包括：

a）处理传感器数据

b）通过SPI等接口管理与指纹模组的通信

c）完整的指纹处理，包括匹配算法和注册算法

d）电容式感应扫描与处理

e）系统管理，包括安全任务与传感器控制

f）图形显示，包括绘制文本、图像、形状等

g）管理BLE链路层控制器、保持BLE连接和广播、维护BLE主机层任务，包括各项服务、配置和连接认证

电机控制

智能锁遥控需要电机来移动门栓。这项工作一般由BLDC电机和相关控制电路完成。通过使用可编程逻辑和模拟电路可将电机控制集成在SoC内部，以减少元件数量，同时可独立于CPU工作。

以上介绍了一个设计物联网系统的实例，我们发现，物联网系统主要涉及技术包括模拟传感器接口、连接性、可编程数字电路、集成外设以及系统成本优化等方面。举一反三，便可通过这些技术构建物联网的大千世界。

本文转载自：Cypress赛普拉斯半导体

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