【方案】用户体验主导无线联网报警器差异化开发

时间： 2019-07-05 来源：世强

技术问答

近几年来，由于智慧城市、平安城市的推动，以及物联网应用的逐渐落地，智能安防产品取得了重大进展，它正发展成为一个愈发重要的市场。据中投顾问发布的最新数据显示，我国现有城镇居民家庭约为2亿户，结合GDP增长率及城市化发展速度推算，从2016年至2020年之间，平均每年有上百亿元的市场需求。现在可挑选的消费类安防产品已日益增多，其用途也多种多样，这其中就包括侧重安全防护的无线联网报警系统。

无线联网报警系统提出的要求

相对于传统安防来说，智能安防产品正在形成比较清晰的前景：技术的升级和好的用户体验。安防产品制造商越来越了解到具备何种功能的产品才能获得市场持续的青睐。这种认识同样渗透到了半导体供应链中，而深耕前沿市场的分销商更加透彻了解产品需求。

智能安防有一个绝对重要的因素就是功耗要更低或者处理效率更高，功耗和处理性能之间要达到最佳平衡，其使用的电池持续时间是数年而不是数天。同时，产品制造商也将许多考量归到成本上。世强资深技术专家刘云表示：“物联网应用的兴起使安防产品中的元器件应用数量有了大幅上升。在无线联网报警系统所提供的产品和解决方案中，世强围绕物联网应用的三大核心节点展开，认为新的或者更严格的应用要求体现在：更出色的运算处理能力、更低的功耗、更高的灵敏度、更远的传输距离以及更精确的前端数据采集能力等等。”世强向客户提供的无线联网报警系统框如下图1所示。

图1：世强智能无线报警系统节点设备系统框图

32位MCU意味着算法与处理效率担当

无线报警系统主机是整个系统的核心部分，用来接收节点探测器发来的报警信号。当无线报警主机接收到报警信号之后，产生高分贝警号声。同时，借助电信网络或者以太网向报警中心或者用户手机APP传递警情，从而实现监控、报警和实时查看功能。如下图2所示，该主机包含处理整个系统数据的处理运算单元、通信单元、时钟单元等，它可满足客户挖掘所有必要的需求，开发出色的低功耗无线报警器解决方案。

图2：无线联网报警系统主机框图

处理系统中的各种信号及无线传输数据，需要采用具有强大运算和信息处理能力的主控MCU。在该方案中，世强提供基于ARM Cortex-M3内核设计的32位微控制器EFM32JG，该款器件是SILICON LABS推出的全球最节能友好的微控制器。Silicon Labs公司是微控制器产品的领先供应商，针对物联网、消费电子等市场应用，开发重点集中在低功耗、高集成度、高性能、安全性及可扩展性等特点的产品上。

相对于传统的8位微控制器实现的方案，EFM32JG内核指令效率更快、代码密度更高，尤其在算法处理方面更有优势，例如，采用相同C语言AES算法或者3DES算法时，使用Cortex-M3内核的MCU运行，效率比8位高约4倍，具有更快速处理和相应外设的能力，从而缩短无线报警系统的算法处理时间，系统性能得到了提高。同时EFM32JG还具有以下几方面的优势：

1）低功耗
EFM32JG共有5中功耗模式，其优异的低功耗特性可延长无线报警系统的电池使用寿命。如在EM2（Deep sleep）待机模式下，功耗仅为1.4uA，LEUART、LCD控制器、DMA、LESENSE、RTC、I²C等外设功能模块均可运行，这样主控MCU处于内核休眠的状态下，总线通信或用户外部输入操作信号即可唤醒系统；同时系统的整体功耗非常低，使电源设计简单化、产品体积减小且便于安装。又如在EM3关断模式下，功耗仅为1.1uA。

2）高集成度
EFM32JG外设丰富，为整个无线报警系统扩展功能及成本降低提供了条件，其集成的模拟外设包括：12位1Msps ADC、12通道外设反射系统PRS、看门狗定时器专用RC振荡器、为其他系统组件提供电源的片内DC-DC降压型转换器、8通道DMA控制器、模拟比较器、运算放大器等等。此外，EFM32JG配有多种通信接口，如串口、I²C、USB-HOST等等，资源丰富，可灵活配置。

3）高安全性
EFM32JG配备增强loT节点应用安全的新一代加密引擎，提供最先进的片上硬件加解密加速器，支持TLS/SSL互联网安全协议的自治化加解密操作，实现带有128位或256位秘钥的高级AES算法、椭圆曲线加密ECC和SHA技术。

整合型方案提升无线芯片利用价值
从低功耗蓝牙、NFC到ZigBee、wifi、Sub-GHz，物联网应用领域从来都不缺无线连接技术。而在将来，对于物联网中无线技术的发展，业内普遍共识认为多模、多频无线SoC芯片是一种趋势。对此，Silicon Labs也坚信融合是长期的发展趋势，将会有巨大的需求。除了提供无线连接、简化连接设备的设计任务之外，无线SoC还可帮助开发人员设计高度差异化产品，提升用户使用体验，在更小的外形尺寸和更低的功耗范围内集成多种功能，缩短产品上市时间等。

在世强无线联网报警器系统中，Sub-Ghz通讯单元是主机与从机、各节点设备之间的交互、连接桥梁。在电路实现上，Sub-Ghz通讯单元与主控MCU通过SPI总线连接，主控MCU则用来控制其数据接收与实现低功耗等功能。世强市场经理马攀峰表示：“Silicon Labs 多协议片上系统（SoC）Wireless Gecko产品之一的EFR32 Flex Gecko（简称FG）系列可为设备提供灵活的连通性、价格性能选择，优化用于各应用的普遍专用协议选型，支持频段包括2.4 GHz、Sub-Ghz。”

EFR32FG采用强大的ARM Cortex-M4内核，整合节能的Gecko技术、先进的硬件加密技术和多协议2.4GHz RF收发器，配有灵活的SoC架构以及支持多种差异化物理层、包格式和调制方案。另外，EFR32FG采用Silicon Labs 无线电抽象和接口层软件，简化无线电配置且降低专用无线开发的复杂性，方便开发人员迁移在Silicon Labs Wireless Gecko产品和无线IC之间的应用代码。

Silicon Labs Gecko技术的优点在于架构完善的能源模式、唤醒/休眠转换快速以及外设反射系统PRS，在MCU内核处于休眠时即可实现外设的自动化操作，降低系统的功耗。此外，由于ARM Cortex-M4处理器带有强大浮点和DSP能力，Gecko MCU工作模式功耗仅为63µA/MHz。

EFR32FG具有丰富的GPIO口及UART口，同时内置电源管理模块，将可编程的功率放大器PA和平衡-不平衡转换器集成在一起，进一步降低物料清单成本和设计复杂度，为远距离连接应用需要提供可扩展的输出功率范围：30dBm到+19.5dBm。