目前，市場上湧現出越來越多的物聯網(IoT)恒溫器產品。本文闡述如何使用微控製器(MCU)打造IoT恒溫器，並以愛特梅爾(Atmel)SMARTSAML22MCU為例，同時也介紹此MCU作為段式液晶顯示器(LCD)控製器平台實現恒溫器應用的功能。該MCU內置一個主頻32MHz的ARMCortex-M0+處理器，拓展該公司現有的低功耗MCU係列。它專為本文描述的恒溫器等人機介麵(HMI)應用而設計，內置一個支持上至三百二十段的段式顯示控製器


、一個用於實現按鍵、滑塊和滾輪的外接周邊設備觸摸控製器(PTC)以及USB、Timer、SERCOM等可配置為USART
、SPI和I2C介麵的其他眾多外接的周邊設備。低功耗/通訊/安全性IoT恒溫器必備功能

IoT應用強調萬物聯網，因此IoT恒溫器也須具備聯網通訊功能，此外為因應設備功能與資料傳輸增多，其亦須符合低功耗、安全性和簡易使用的人機介麵等特性。

低功耗

與其他很多IoT應用一樣，功耗是IoT恒溫器的重要考慮因素。IoT應用通常是電池供電型，或者用戶希望它們比之前型號在提供更多功能的同時
，減少電量消耗。SAML22MCU專為低功耗應用而設計。使用快閃記憶體進行EEMBCCoremark測試時，其工作模式下的功耗低於39μA/MHz，待機模式下的功耗僅為1.87μA(RTC處於工作狀態時)。此MCUzhisuoyinengshixianshangshudigonghao，pingjideshiqiduteshejihezhongduotexing。lirugonglvjitexingrangqinengweijutirenwuxuanzezhengquedexingneng。kongzhiqinengjiangneihedianyacong1.2伏特(V)迅速切換到0.9V。降低內核電壓可大幅降低總功耗，因為中央處理器(CPU)的功耗隨著頻率和電壓的升高而增加。當內核電壓為0.9V時，CPU的最大頻率為12MHz；而當內核電壓為1.2V時，CPU的最大頻率為32MHz。例如當內核電壓為0.9V

，頻率為12MHz時，該MCU計算一次斐波那契數列須消耗28μA/MHz
；當內核電壓為1.2V
，頻率為32MHz時
，同樣計算卻須消耗37μA/MHz。

除了一個低壓差穩壓器(LDO)之外，該款MCU還內置一個降壓轉換器。此前的功耗是采用降壓轉換器和3.3V電壓測量。在此電壓下，降壓轉換器的工作效率最高。這比LDO的效率高出很多
，能實現低功耗。

此MCU的另一個優勢是直接記憶體存取(DMA)和事件係統(EventSystem)，它們能在無需CPU參與的情況下

，實現資料通訊和控製外接的周邊設備。各個外接的周邊設備在獨立執行任務或相互控製時，Cortex-M0+處理器可進入睡眠狀態。

這款MCU的模擬功能也是專為此類低功耗應用而設計的。12位1MSPS類比數位轉換器(ADC)可在10Ksps和單端模式下測量溫度感測器，僅需60μA用於模數轉換。

通訊

其次，IoT應用須通過射頻(RF)與互聯網
、智慧手機
、感測器、致動器或其他IoT設備通訊。此MCU提供多個輸入/輸出(I/O)介麵
，用於連接各種RF模組和其他外接的周邊設備。它最多可配備六個片上SERCOM外接的周邊設備，足夠用於將更多元件連接至恒溫器。每個SERCOM外接的周邊設備可被配置為USART
、UART、SPI或I2C。AtmelSmartConnectWINC3400Wi-Fi/藍牙組合解決方案或麵向ZigBee設備的SAMR21都可以通過I2C或SPI連接該款MCU。內置USB可用於實現其他有線通訊。該USB是一個無石英的全速USB設備，這意味著無需精準的外部振蕩器
，從而降低應用的物料成本(BOM)。

安全性

所有IoT應用都必須有重要元件：安全性。為了實現安全的通訊，該款MCU配有一個256位元的先進加密標準(AES)外接的周邊設備。它可以在不增加軟體開支的情況下進行加密和解密。此外
，它還支援多種模式，如密碼段連結模式(CipherBlockChaining)、伽羅瓦計數器模式(GaloisCounterMode)等等。

AES外接的周邊設備內置抗差分功耗分析攻擊(DifferentialPowerAnalysisAttacks)措施。通過差分功耗分析，攻擊者能得知控製器的功耗
，並利用這些資料探測出加解密金鑰。

通過采用這種方法
，AES外接的周邊設備能隨機增加加解密運算的周期，加大攻擊者探測出金鑰的難度。此MCU還內置一個真亂數產生器(TRNG)外wai接jie的de周zhou邊bian設she備bei，它ta能neng生sheng成cheng真zhen亂luan數shu的de所suo有you八ba十shi四si個ge周zhou期qi。這zhe個ge數shu對dui於yu加jia密mi至zhi關guan重zhong要yao
，因yin為wei真zhen亂luan數shu不bu能neng被bei預yu測ce，因yin此ci也ye不bu能neng通tong過guo數shu學xue方fang法fa被bei計ji算suan出chu來lai。亂luan數shu可ke用yong於yu通tong過guoIP網路進行身份驗證。

加密金鑰可保存在備份區暫存器、快閃記憶體或靜態隨機存取記憶體(SRAM)中。為了提高安全性，此MCU內nei置zhi一yi個ge防fang篡cuan改gai單dan元yuan，它ta能neng檢jian測ce出chu是shi否fou有you人ren試shi圖tu打da開kai恒heng溫wen器qi。防fang篡cuan改gai引yin腳jiao與yu恒heng溫wen器qi的de外wai殼ke相xiang連lian。當dang攻gong擊ji者zhe通tong過guo機ji械xie方fang式shi打da開kai恒heng溫wen器qi的de外wai殼ke時shi
，防fang篡cuan改gai線xian將jiang斷duan裂lie，從cong而er檢jian測ce到dao篡cuan改gai攻gong擊ji。

在這種情況下
，防篡改單元將發起“事件”，內核則執行相應的軟體功能
，刪除SRAM
、串列電子抹除式可複寫唯讀記憶體(EEPROM)、快閃記憶體或其他外部記憶體中的加密金鑰或其他資料。

為進一步增強安全性
，該MCU還內置活動層防護(ActiveLayerProtection)功能。

訊號通過印刷電路板(PCB)/外殼發送到防篡改輸入埠。程式將對該輸入訊號與輸出訊號進行對比
，如果不匹配，則檢測到篡改。如果攻擊者在PCB上鑽孔
，並剪斷PCB上的防篡改線，該功能也將檢測到篡改，並發起“事件”。

人機介麵

同樣重要的是
，IoT應用需有人機介麵(HMI)或使用者介麵。該IoT恒溫器功能由最終用戶通過智慧手機控製。但它須提供一個手動更改和監測溫度的選項，因為智慧手機有可能發生故障或者丟失。

在這種情況下
，內置的段式LCD顯示器可向使用者顯示溫度和其他資訊。段式LCD控製器最多可控製三百二十個段
，而且能從五十二個LCDI/O引腳中選擇四十八個LCD引腳。設計人員還可選擇未使用的LCD引腳，用於實現SERCOM等協助工具或模擬功能。

此外

，SLCD控製器還支持各種用於降低功耗的功能。例如可通過DMA將資料從SRAM/快閃記憶體發送到顯示器緩衝區。

硬體特征映射、自動位元映射(ABM)和閃爍(Blinking)功能能以極低的功耗改變段式LCD上顯示的內容。這種改變無需大功率內核。很多恒溫器在它們的顯示器上顯示當前時間。閃爍功能用於顯示秒，同時也是段式LCD控製器的一個硬體功能。

除了能通過無線區域網路(WLAN)或藍牙遠端更改設置或溫度之外，使用者還能在恒溫器上執行這些任務。此MCU支援AtmelQTouch技術，其中包括采用互電容觸控技術和自電容觸控技術的按鍵、滑塊和滾輪。該款MCU可為此類應用提供足夠多的觸控通道。借助Atmel技術，觸控按鍵直接整合到段式LCD的銦錫氧化物(ITO)層上。觸控輸入可用於升降溫度，或選擇其他房間中的加熱器或感測器。

智慧/觸控控製恒溫器更聰明

該款恒溫器藉由RF監測不同房間中的無線溫度感測器
，並控製其中的加熱器。使用者可通過WLAN或低功耗藍牙協議、家用網路或互聯網
，並使用智慧手機對其進行控製，或直接使用觸控按鍵進行控製。

此MCU內置的ADCnengcelianghengwenqizhouweidewendu，qiduilaiziwenduganceqidewaibushuzhijinxingshuweihuachuli。neibuwenduganceqikeyongyukongzhiwaibushuzhi

，yibianjinxingjiaochahedui。erMCU的內部溫度感測器提供兩點測量功能，精度為±1℃(0∼60℃)。

另一條ADC通道也可用於測量電池電壓。欠壓檢測(BOD)功能可檢測出較低的電壓
，並自動關閉係統，以防出現故障。

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