設計安全節能的住宅自動(dòng)化系統

　　住宅自動(dòng)化將繼續開(kāi)辟一個(gè)新的創(chuàng )新時(shí)代，為家庭與辦公室環(huán)境提供成熟的解決方案。使用微控制器的系統通過(guò)節能、智能、安全、操控直觀(guān)且互聯(lián)選項豐富的住宅自動(dòng)化系統為消費者提供幫助。安全與住宅自動(dòng)化系統領(lǐng)域的最新進(jìn)展運用最新的傳感、互聯(lián)和計算技術(shù)。比如納米級IC技術(shù)使原設備制造商(OEMs)能夠制造經(jīng)濟、節能的小型解決方案。

　　住宅自動(dòng)化幫助控制家庭與辦公室環(huán)境中的設備。早期系統只能用于調節照明、開(kāi)/關(guān)電器和控制溫度。如今，先進(jìn)的嵌入式系統作為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的一部分帶來(lái)了智能電源控制與高級安全功能。通過(guò)傳感器與處理器的組合，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)將各種設備與中央網(wǎng)絡(luò )連接，使設備能夠在沒(méi)有任何用戶(hù)干預的情況下完成工作。正是因為有了互聯(lián)網(wǎng)、Wi-Fi和藍牙，這些系統才能通過(guò)智能手機、平板電腦或計算機輕松操作。

　　住宅自動(dòng)化的基本組成模塊

　　一般的住宅自動(dòng)化系統需要以下接口 (參見(jiàn)圖1)：

　　中央處理器 (CPU)：中央處理器包含嵌入式計算所需的高性能、低功耗處理器或微控制器 (MCU)。高端微控制器支持多種通訊接口，可連接各種外設，包括傳感器、溫度控制器、家電、娛樂(lè )系統、安全警報以及安保系統等。實(shí)時(shí)操作系統 (RTOS) 在中央控制器上運行，實(shí)施全天候不間斷監控并采取必要的措施。

　　聯(lián)網(wǎng)和通訊接口：中央處理器中的微控制器需要連接網(wǎng)絡(luò )才能與外設通訊。根據消費者的需求，可以連接有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。主流的住宅自動(dòng)化應用使用PLC或以太網(wǎng)進(jìn)行有線(xiàn)連接，使用ZigBee、射頻或低功耗藍牙進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接。

　　傳感器和用戶(hù)界面：在住宅自動(dòng)化系統中，中央處理器與傳感器等各種外設連接，從而測定或檢測溫度、濕度、日光或運動(dòng)。中央處理器還能打開(kāi)/關(guān)閉制動(dòng)器和電器，并且能夠連接用戶(hù)界面實(shí)現遠程控制和顯示系統狀態(tài)。早期的用戶(hù)界面采用需要觸碰的機械式按鈕。如今的自動(dòng)化系統使用的是無(wú)需接觸的電容式觸摸界面。

　　數據存儲：住宅自動(dòng)化系統需要使用本地存儲保存傳感器數據、用戶(hù)偏好以及系統RTOS。用于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應用程序的微控制器(MCU)帶有內置閃存，但這不足以保存每天產(chǎn)生的大量數據。如果要在微控制器(MCU)中集成更多存儲，則需要增加晶粒的尺寸、增加系統成本并且影響系統性能。大型住宅網(wǎng)絡(luò )需要一個(gè)獨立的空間放置存儲設備。使用大型服務(wù)器作為存儲設備則會(huì )增加運營(yíng)與維護的成本。開(kāi)發(fā)人員所面臨的挑戰是在存儲容量與運營(yíng)成本之間作出取舍。

　　電源裝置：住宅自動(dòng)化需要使用不同的電源，比如電器需要使用高壓交流電，手持式或便攜式用戶(hù)界面則需要使用電池。目前最先進(jìn)的系統可以從光、振動(dòng)或射頻傳輸中獲得電能并用于家用電器的供電。根據當前的需求與趨勢，電源也可以加入不同的電源模式而根據常用情況實(shí)現低能耗。

　　圖1：住宅自動(dòng)化系統概覽 (來(lái)源：賽普拉斯半導體)

　　系統實(shí)現

　　住宅自動(dòng)化系統實(shí)際上是一個(gè)各種外設所組成的系統。為了滿(mǎn)足用戶(hù)需求和支持增值應用程序，需要將諸多設計挑戰與限制考慮在內。

　　中央處理器：微控制器的選擇至關(guān)重要。市面上的微控制器有著(zhù)不同的功耗、速度、計算能力、GPIO數量以及與各通訊協(xié)議和用戶(hù)界面的兼容性等性能參數。除了傳統的架構之外，微控制器在過(guò)去的10年發(fā)生了顯著(zhù)的變化。如今的微控制器配有多個(gè)內核，且具備更大存儲容量、更多外圍設備和更智能的功能。微控制器與可編程系統芯片 (SoC) 架構之間的界線(xiàn)正變得越來(lái)越模糊。

　　在住宅自動(dòng)化系統框架中，中央處理器需要根據設計的復雜程度配備多個(gè)子控制器。子控制器與中央處理器相互作用交互并接受中央處理器的決定?？梢允褂枚喾N拓撲結構實(shí)現這種交互。

　　星型拓撲結構最常用于所有子控制器與一個(gè)中央處理器連接的架構。子控制器將來(lái)自傳感器的數據發(fā)送給中央處理器。中央處理器對信息進(jìn)行分析并且向子控制器發(fā)送具體的行動(dòng)要求。根據所收到的命令，各子控制器控制其外設。在這種拓撲結構中，一個(gè)子控制器的故障不會(huì )影響其他子控制器的運行。但中央控制器的故障會(huì )使整個(gè)系統癱瘓。因此，需要全天候運行的復雜系統應采用網(wǎng)狀或網(wǎng)格拓撲結構。在這些拓撲結構中，中央控制器的數量不止一個(gè)，而且它們彼此互相連接。流程的去中心化增加了可靠性與運行時(shí)的帶寬。這些控制器中的每一個(gè)個(gè)體都具有同等的智能和獨立運行的能力。如果有一個(gè)控制器發(fā)生故障，其他控制器可以接替它以保證運行不被中斷。

　　圖2：星型網(wǎng)絡(luò )與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲結構 (來(lái)源：賽普拉斯半導體)

　　傳感器：傳感器是住宅自動(dòng)化系統的核心。環(huán)境傳感器，如溫度傳感器、環(huán)境光傳感器、濕度傳感器和氣體傳感器等用于采集有關(guān)室內環(huán)境的數據。中央處理器據此打開(kāi)/關(guān)閉風(fēng)扇或控制空調，從而保持室溫處在舒適的狀態(tài)。中央處理器還可根據用戶(hù)偏好和光傳感器的數據打開(kāi)/關(guān)閉燈光以及控制燈光的亮度。家用電器通過(guò)智能、直觀(guān)的操作節省了電能，使系統變得節能而環(huán)保。

　　除了考慮用戶(hù)的便捷性之外，該系統還考慮到住宅的安全性。它能通過(guò)運動(dòng)傳感器探測任何意外的入侵并且向住戶(hù)發(fā)出警告。中央處理器還考慮了緊急情況。如果發(fā)生電源故障，系統會(huì )關(guān)閉電器從而防止其損壞。在發(fā)生火災或煙霧時(shí)，中央處理器會(huì )發(fā)出警報并且打開(kāi)噴淋器。氣體傳感器可用于探測起火或煙霧。

　　傳感器的選擇取決于系統要求和兼容性。如要探測室溫，可以使用不同類(lèi)型的傳感器，包括分立元件 (熱敏電阻、RTD、熱電偶和二極管作為溫度傳感器) 和集成電路 (IC)。熱敏電阻、RTD和熱電偶等分立元件需要外部信號調節電路。開(kāi)發(fā)人員設計信號調節電路時(shí)還需要考慮系統對于分辨率、探測范圍和運行成本的要求。熱電偶是一種能夠根據相對環(huán)境溫度產(chǎn)生溫差電壓的有源元件。熱敏電阻和RTD是會(huì )根據絕對溫度改變電阻值的無(wú)源元件。熱敏電阻分為兩種：PTC (正溫度系數) 和NTC (負溫度系數)。表2對這幾種溫度傳感器的不同參數進(jìn)行了比較。

　　表2：各種溫度傳感器 (來(lái)源：賽普拉斯半導體)

　　RTD的可重復性與精確度最高。溫度傳感器的集成電路包含集成信號調節電路。大部分集成信號調節電路通過(guò)一個(gè)通用 (如UART、I2C或SPI) 接口傳輸數字格式的處理數據。其他電路傳輸模擬格式的電壓或電流數據。帶集成ADC的微控制器可以處理此類(lèi)模擬數據并探測溫度。

　　圖3：使用熱敏電阻和RTD測量溫度 (來(lái)源：賽普拉斯半導體)

　　PIR (被動(dòng)式紅外傳感器) 動(dòng)作傳感器可以感知運動(dòng)并且用于探測是否有人進(jìn)入或離開(kāi)傳感器范圍。該傳感器通過(guò)測定一個(gè)發(fā)熱物體的紅外輻射 (IR)，從而探測到人體、動(dòng)物或者其他物體的運動(dòng)狀態(tài)。PIR傳感器一般搭配透鏡使用，透鏡可以將遠程紅外輻射聚焦到傳感器表面。作為信號調節電路一部分的濾波器被用于限制頻帶和濾除意外的噪音。

　　濕度傳感器用于探測環(huán)境中的水分含量。它們一般依靠于其他一些因濕度而發(fā)生變化的參數，如壓力、溫度或數量等?，F代傳感器可以通過(guò)測定電容或電阻的變化測定濕度的變化。電阻濕度傳感器的敏感度低于電容濕度傳感器，因此較少使用。電容的測定需要用到復雜的信號調節電路，比如交流電橋等。還可使用測定相位或頻率的方法來(lái)測定電容的變化?，F在的片上系統芯片(SoC)采用先進(jìn)的電容傳感技術(shù)直接測定電容。

　　環(huán)境光傳感器與接近傳感器被廣泛應用住宅自動(dòng)化系統。環(huán)境光傳感器主要是光敏元件。在電阻光傳感器中，電阻隨光的變化而變化。二極管和晶體管等有源環(huán)境光傳感器也可用于探測光的變化。大部分接近傳感器基于電容式測量，然而，也有一些使用的是電感式測量。

　　通訊接口

　　中央控制器需要通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)連接與家用電器和傳感器通信。有線(xiàn)連接使用以太網(wǎng)或電力線(xiàn)通信 (PLC) 技術(shù)。PLC是利用電力線(xiàn)進(jìn)行通信和配電 。一般進(jìn)行數字信號載波調制 (~20-200 kHz) 并且通過(guò)家用電線(xiàn)與電力線(xiàn)信號一同傳輸。外設被插入到普通電源插口以建立通訊連接。但電器需要額外的調制解調器解碼接收到的信息。使用PLC技術(shù)的設計師還必需解決擁擠運行環(huán)境中的“擴展頻譜”和“無(wú)線(xiàn)電干擾”等問(wèn)題。

　　通過(guò)以太網(wǎng)，外設、電器和中央控制器經(jīng)局域網(wǎng) (LAN) 連接。系統中的每個(gè)單元通過(guò)使用幀發(fā)送串行數據流。每個(gè)幀包含來(lái)源和目的地地址、數據以及錯誤校驗信息。傳感器通過(guò)UART、SPI或I2C接口將數據傳輸到子控制器，而子控制器通過(guò)以太網(wǎng)接口將信息傳輸到中央控制器。

　　由于解決了線(xiàn)纜和線(xiàn)纜鋪設所帶來(lái)的復雜性與成本問(wèn)題，Wi-Fi、低功耗藍牙和ZigBee等無(wú)線(xiàn)技術(shù)已非常普及。通過(guò)Wi-Fi (IEEE 802.11) 可以建立本地無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，并且所有外設可以通過(guò)2.4GHz或5Ghz頻帶連接該網(wǎng)絡(luò )。Wi-Fi降低了安裝成本并且非常適用于難以鋪設電纜的有限空間內。相比傳統的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，由于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )簡(jiǎn)化了接入，因此其主要問(wèn)題在于網(wǎng)絡(luò )的安全性。在有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，必需直接連接網(wǎng)線(xiàn)才能與網(wǎng)絡(luò )連接。而在Wi-Fi中，只需要在網(wǎng)絡(luò )的范圍內即可連接網(wǎng)絡(luò )。因此，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )需要強大的加密與安全策略避免數據安全風(fēng)險。

　　ZigBee (IEEE 802.15.4) 無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議可以用于10-100米范圍內的低功耗小型網(wǎng)絡(luò )。ZigBee使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )通過(guò)中間節點(diǎn)發(fā)送和接收數據。ZigBee一般用于對通訊速度和安全性較低的低功耗應用，因此適合用于住宅自動(dòng)化系統。

　　圖4 各種通訊接口和協(xié)議 (來(lái)源：賽普拉斯半導體)

　　藍牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)適用于遠程傳感和監控應用。藍牙主要用于低成本、低功耗的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。其中，中央處理器作為主設備發(fā)起與其他作為從屬設備的外設的對話(huà)。在特定的時(shí)間點(diǎn)，只有一臺從屬設備可以進(jìn)行廣播和與主機通訊。藍牙適合用于用戶(hù)接口。用戶(hù)可以遠程訪(fǎng)問(wèn)控制系統并且發(fā)送輸入指令。

　　未來(lái)住宅自動(dòng)化的改進(jìn)

　　當前的住宅自動(dòng)化趨勢是推動(dòng)節能、安全的解決方案。隨著(zhù)用戶(hù)的增加及其要求的增多，設計師正面臨著(zhù)如何使系統能夠防止各種入侵的嚴峻挑戰。同時(shí)，他們還需要降低功耗和成本?；谥悄芸ㄅcOTP (一次性授權) 的安全訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)目前正在被引入住宅自動(dòng)化系統，而更先進(jìn)的生物識別傳感器，如指紋和視網(wǎng)膜掃描器等也正在被逐步用于訪(fǎng)問(wèn)授權。

　　除了提高安全性之外，原始設備制造商正在為系統尋找其他產(chǎn)生電能的來(lái)源。新推出的能量采集設備可以從振動(dòng)、體溫、太陽(yáng)光和射頻傳輸中生成電能。超高效率的住宅自動(dòng)化系統需要結合先進(jìn)的節能家電，以及帶有商業(yè)可再生能源系統的設備，如太陽(yáng)能熱水器和太陽(yáng)能發(fā)電器等。但這些功能的成本較高，而且原始設備制造商需要基于用戶(hù)需求對此進(jìn)行權衡。

　　乍看之下，住宅自動(dòng)化系統似乎復雜而昂貴。但引入智能化家電所帶來(lái)的諸多益處可以抵消這些成本。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，真正的自動(dòng)化系統能夠在不與我們發(fā)生直接互動(dòng)的情況下知道我們的身份、所在的位置和需求，在我們走進(jìn)房間時(shí)打開(kāi)燈光和電扇，當我們離開(kāi)住宅時(shí)調節溫度，并且在發(fā)生各種緊急情況時(shí)發(fā)出警報。這些直觀(guān)的智能化操控方法可以節省大量電能，并且帶來(lái)更高的便捷性。此外，住宅的安保與安全也被考慮在內。

　　憑借今天的技術(shù)，實(shí)現住宅自動(dòng)化不再是一項遙不可及的工作?？删幊滔到y芯片的上市加快了住宅自動(dòng)化系統的實(shí)現。高度集成的微控制器可以靈活兼容各種能力，包括ADC、模擬 OPAMP、閃存和數字通訊接口 (UART/ SPI/ I2C)。許多微控制器還支持藍牙芯片技術(shù)，這進(jìn)一步降低了系統復雜性與開(kāi)發(fā)成本。