設(shè)計安全節(jié)能的住宅自動化系統(tǒng)

　　住宅自動化將繼續(xù)開辟一個新的創(chuàng)新時代，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(tǒng)通過節(jié)能、智能、安全、操控直觀且互聯(lián)選項豐富的住宅自動化系統(tǒng)為消費者提供幫助。安全與住宅自動化系統(tǒng)領(lǐng)域的最新進展運用最新的傳感、互聯(lián)和計算技術(shù)。比如納米級IC技術(shù)使原設(shè)備制造商(OEMs)能夠制造經(jīng)濟、節(jié)能的小型解決方案。

　　住宅自動化幫助控制家庭與辦公室環(huán)境中的設(shè)備。早期系統(tǒng)只能用于調(diào)節(jié)照明、開/關(guān)電器和控制溫度。如今，先進的嵌入式系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的一部分帶來了智能電源控制與高級安全功能。通過傳感器與處理器的組合，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)將各種設(shè)備與中央網(wǎng)絡(luò)連接，使設(shè)備能夠在沒有任何用戶干預(yù)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(tǒng)才能通過智能手機、平板電腦或計算機輕松操作。

　　住宅自動化的基本組成模塊

　　一般的住宅自動化系統(tǒng)需要以下接口 (參見圖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(shè)，包括傳感器、溫度控制器、家電、娛樂系統(tǒng)、安全警報以及安保系統(tǒng)等。實時操作系統(tǒng) (RTOS) 在中央控制器上運行，實施全天候不間斷監(jiān)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(shè)通訊。根據(jù)消費者的需求，可以連接有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)。主流的住宅自動化應(yīng)用使用PLC或以太網(wǎng)進行有線連接，使用ZigBee、射頻或低功耗藍牙進行無線連接。

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

　　數(shù)據(jù)存儲：住宅自動化系統(tǒng)需要使用本地存儲保存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)、用戶偏好以及系統(tǒng)RTOS。用于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用程序的微控制器(MCU)帶有內(nèi)置閃存，但這不足以保存每天產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。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(tǒng)成本并且影響系統(tǒng)性能。大型住宅網(wǎng)絡(luò)需要一個獨立的空間放置存儲設(shè)備。使用大型服務(wù)器作為存儲設(shè)備則會增加運營與維護的成本。開發(fā)人員所面臨的挑戰(zhàn)是在存儲容量與運營成本之間作出取舍。

　　電源裝置：住宅自動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界面則需要使用電池。目前最先進的系統(tǒng)可以從光、振動或射頻傳輸中獲得電能并用于家用電器的供電。根據(jù)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(jù)常用情況實現(xiàn)低能耗。

　　圖1：住宅自動化系統(tǒng)概覽 (來源：賽普拉斯半導(dǎo)體)

　　系統(tǒng)實現(xiàn)

　　住宅自動化系統(tǒng)實際上是一個各種外設(shè)所組成的系統(tǒng)。為了滿足用戶需求和支持增值應(yīng)用程序，需要將諸多設(shè)計挑戰(zhàn)與限制考慮在內(nèi)。

　　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不同的功耗、速度、計算能力、GPIO數(shù)量以及與各通訊協(xié)議和用戶界面的兼容性等性能參數(shù)。除了傳統(tǒng)的架構(gòu)之外，微控制器在過去的10年發(fā)生了顯著的變化。如今的微控制器配有多個內(nèi)核，且具備更大存儲容量、更多外圍設(shè)備和更智能的功能。微控制器與可編程系統(tǒng)芯片 (SoC) 架構(gòu)之間的界線正變得越來越模糊。

　　在住宅自動化系統(tǒng)框架中，中央處理器需要根據(jù)設(shè)計的復(fù)雜程度配備多個子控制器。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(jié)構(gòu)實現(xiàn)這種交互。

　　星型拓撲結(jié)構(gòu)最常用于所有子控制器與一個中央處理器連接的架構(gòu)。子控制器將來自傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送給中央處理器。中央處理器對信息進行分析并且向子控制器發(fā)送具體的行動要求。根據(jù)所收到的命令，各子控制器控制其外設(shè)。在這種拓撲結(jié)構(gòu)中，一個子控制器的故障不會影響其他子控制器的運行。但中央控制器的故障會使整個系統(tǒng)癱瘓。因此，需要全天候運行的復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)采用網(wǎng)狀或網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)。在這些拓撲結(jié)構(gòu)中，中央控制器的數(shù)量不止一個，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的帶寬。這些控制器中的每一個個體都具有同等的智能和獨立運行的能力。如果有一個控制器發(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(jié)構(gòu) (來源：賽普拉斯半導(dǎo)體)

　　傳感器：傳感器是住宅自動化系統(tǒng)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(nèi)環(huán)境的數(shù)據(jù)。中央處理器據(jù)此打開/關(guān)閉風(fēng)扇或控制空調(diào)，從而保持室溫處在舒適的狀態(tài)。中央處理器還可根據(jù)用戶偏好和光傳感器的數(shù)據(jù)打開/關(guān)閉燈光以及控制燈光的亮度。家用電器通過智能、直觀的操作節(jié)省了電能，使系統(tǒng)變得節(jié)能而環(huán)保。

　　除了考慮用戶的便捷性之外，該系統(tǒng)還考慮到住宅的安全性。它能通過運動傳感器探測任何意外的入侵并且向住戶發(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(tǒng)會關(guān)閉電器從而防止其損壞。在發(fā)生火災(zāi)或煙霧時，中央處理器會發(fā)出警報并且打開噴淋器。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(tǒng)要求和兼容性。如要探測室溫，可以使用不同類型的傳感器，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(diào)節(jié)電路。開發(fā)人員設(shè)計信號調(diào)節(jié)電路時還需要考慮系統(tǒng)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(jù)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是會根據(jù)絕對溫度改變電阻值的無源元件。熱敏電阻分為兩種：PTC (正溫度系數(shù)) 和NTC (負溫度系數(shù))。表2對這幾種溫度傳感器的不同參數(shù)進行了比較。

　　表2：各種溫度傳感器 (來源：賽普拉斯半導(dǎo)體)

　　RTD的可重復(fù)性與精確度最高。溫度傳感器的集成電路包含集成信號調(diào)節(jié)電路。大部分集成信號調(diào)節(jié)電路通過一個通用 (如UART、I2C或SPI) 接口傳輸數(shù)字格式的處理數(shù)據(jù)。其他電路傳輸模擬格式的電壓或電流數(shù)據(jù)。帶集成ADC的微控制器可以處理此類模擬數(shù)據(jù)并探測溫度。

　　圖3：使用熱敏電阻和RTD測量溫度 (來源：賽普拉斯半導(dǎo)體)

　　PIR (被動式紅外傳感器) 動作傳感器可以感知運動并且用于探測是否有人進入或離開傳感器范圍。該傳感器通過測定一個發(fā)熱物體的紅外輻射 (IR)，從而探測到人體、動物或者其他物體的運動狀態(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(diào)節(jié)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(shù)，如壓力、溫度或數(shù)量等?，F(xiàn)代傳感器可以通過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(fù)雜的信號調(diào)節(jié)電路，比如交流電橋等。還可使用測定相位或頻率的方法來測定電容的變化?，F(xiàn)在的片上系統(tǒng)芯片(SoC)采用先進的電容傳感技術(shù)直接測定電容。

　　環(huán)境光傳感器與接近傳感器被廣泛應(yīng)用住宅自動化系統(tǒng)。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有線或無線連接與家用電器和傳感器通信。有線連接使用以太網(wǎng)或電力線通信 (PLC) 技術(shù)。PLC是利用電力線進行通信和配電 。一般進行數(shù)字信號載波調(diào)制 (~20-200 kHz) 并且通過家用電線與電力線信號一同傳輸。外設(shè)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(diào)制解調(diào)器解碼接收到的信息。使用PLC技術(shù)的設(shè)計師還必需解決擁擠運行環(huán)境中的“擴展頻譜”和“無線電干擾”等問題。

　　通過以太網(wǎng)，外設(shè)、電器和中央控制器經(jīng)局域網(wǎng) (LAN) 連接。系統(tǒng)中的每個單元通過使用幀發(fā)送串行數(shù)據(jù)流。每個幀包含來源和目的地地址、數(shù)據(jù)以及錯誤校驗信息。傳感器通過UART、SPI或I2C接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶涌刂破?，而子控制器通過以太網(wǎng)接口將信息傳輸?shù)街醒肟刂破鳌?/p>

　　由于解決了線纜和線纜鋪設(shè)所帶來的復(fù)雜性與成本問題，Wi-Fi、低功耗藍牙和ZigBee等無線技術(shù)已非常普及。通過Wi-Fi (IEEE 802.11) 可以建立本地無線網(wǎng)絡(luò)，并且所有外設(shè)可以通過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(shè)電纜的有限空間內(nèi)。相比傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)，由于無線網(wǎng)絡(luò)簡化了接入，因此其主要問題在于網(wǎng)絡(luò)的安全性。在有線網(wǎng)絡(luò)中，必需直接連接網(wǎng)線才能與網(wǎng)絡(luò)連接。而在Wi-Fi中，只需要在網(wǎng)絡(luò)的范圍內(nèi)即可連接網(wǎng)絡(luò)。因此，無線網(wǎng)絡(luò)需要強大的加密與安全策略避免數(shù)據(jù)安全風(fēng)險。

　　ZigBee (IEEE 802.15.4) 無線通訊協(xié)議可以用于10-100米范圍內(nèi)的低功耗小型網(wǎng)絡(luò)。ZigBee使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通過中間節(jié)點發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。ZigBee一般用于對通訊速度和安全性較低的低功耗應(yīng)用，因此適合用于住宅自動化系統(tǒng)。

　　圖4 各種通訊接口和協(xié)議 (來源：賽普拉斯半導(dǎo)體)

　　藍牙無線技術(shù)適用于遠程傳感和監(jiān)控應(yīng)用。藍牙主要用于低成本、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)。其中，中央處理器作為主設(shè)備發(fā)起與其他作為從屬設(shè)備的外設(shè)的對話。在特定的時間點，只有一臺從屬設(shè)備可以進行廣播和與主機通訊。藍牙適合用于用戶接口。用戶可以遠程訪問控制系統(tǒng)并且發(fā)送輸入指令。

　　未來住宅自動化的改進

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

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

　　乍看之下，住宅自動化系統(tǒng)似乎復(fù)雜而昂貴。但引入智能化家電所帶來的諸多益處可以抵消這些成本。隨著技術(shù)的進步，真正的自動化系統(tǒng)能夠在不與我們發(fā)生直接互動的情況下知道我們的身份、所在的位置和需求，在我們走進房間時打開燈光和電扇，當我們離開住宅時調(diào)節(jié)溫度，并且在發(fā)生各種緊急情況時發(fā)出警報。這些直觀的智能化操控方法可以節(jié)省大量電能，并且?guī)砀叩谋憬菪?。此外，住宅的安保與安全也被考慮在內(nèi)。

　　憑借今天的技術(shù)，實現(xiàn)住宅自動化不再是一項遙不可及的工作?？删幊滔到y(tǒng)芯片的上市加快了住宅自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)。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(shù)字通訊接口 (UART/ SPI/ I2C)。許多微控制器還支持藍牙芯片技術(shù)，這進一步降低了系統(tǒng)復(fù)雜性與開發(fā)成本。