家庭自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)(1):一般設(shè)計(jì)考慮因素

家庭自動(dòng)化是指為了用戶的便利自動(dòng)控制家用電器的過(guò)程與技術(shù)。這種技術(shù)依照嚴(yán)格的要求使用設(shè)備并防止誤用，從而讓生活變得更加輕松，同時(shí)可節(jié)省能源。就控制而言，最基本的形式是用遙控器調(diào)節(jié)燈光明暗，而復(fù)雜的則包括在家中組建一個(gè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，利用主控制器甚至通過(guò)手機(jī)從世界任意地點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編程。
家庭自動(dòng)化系統(tǒng)涉及的操作包括在達(dá)到所需溫度時(shí)將空調(diào)或冰箱等大型電器關(guān)閉一段時(shí)間，然后，當(dāng)溫度越過(guò)某個(gè)臨界值后再將電器打開(kāi)。此外，家庭自動(dòng)化系統(tǒng)還可用來(lái)防止竊賊，當(dāng)系統(tǒng)感應(yīng)到侵入者時(shí)可以向最近的警察局和房主發(fā)送警報(bào)。


圖1：基本的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)


除了算法自動(dòng)化外，用戶可根據(jù)個(gè)人需要利用直接按鍵、手機(jī)、因特網(wǎng)或紅外遙控來(lái)控制設(shè)備。電器和傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立可實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的交互并制定運(yùn)行決策。


圖2：控制單元示例


開(kāi)發(fā)家庭自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)的設(shè)計(jì)考慮因素：
開(kāi)發(fā)家庭自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)有一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和考慮因素。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)系統(tǒng)之前應(yīng)考慮幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，這樣可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低成本，并最大限度地增強(qiáng)功能。設(shè)計(jì)家庭自動(dòng)化系統(tǒng)所涉及的主要考慮因素由用戶需求決定。在繼續(xù)設(shè)計(jì)工作之前，考慮以下幾點(diǎn)有助于為系統(tǒng)選擇正確的處理器、傳感器和通信協(xié)議：
1.接口類型：系統(tǒng)需求是家庭自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)最基本和最重要的需求。接口是基本的通信協(xié)議與硬件組合，可用于在設(shè)備間或者與用戶之間發(fā)送和接收信息。設(shè)計(jì)人員在執(zhí)行設(shè)備、用戶和整體系統(tǒng)間的通信時(shí)有多種選項(xiàng)，因此必須結(jié)合系統(tǒng)、范圍、房屋大小和易用性等因素做出明智選擇。
a.如果用戶想通過(guò)因特網(wǎng)控制家用電器，設(shè)計(jì)人員就需要添加一個(gè)以太網(wǎng)或Wi-Fi接口將系統(tǒng)連接到家庭網(wǎng)絡(luò)。
b.如果用戶想通過(guò)手機(jī)中的藍(lán)牙控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員就需要添加一個(gè)藍(lán)牙接口與設(shè)備通信。
此外，通信接口的選擇還取決于中央控制單元 (CCU) 和房間控制單元 (RCU) 之間所使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。有關(guān)這兩種單元的更多介紹將在本文后面部分討論。

【系列文章】
家庭自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)(2):基于星形拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)架構(gòu)
家庭自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)(3):利用片上系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)





2.感應(yīng)要求：設(shè)計(jì)人員需注意用戶的感應(yīng)要求，并確定執(zhí)行任務(wù)所需的傳感器類型。此外，設(shè)計(jì)人員還需要評(píng)估在不同環(huán)境中不同需求和可用性所需要的傳感器規(guī)范。
傳感器類型包括：
a.熱敏電阻– 可用于控制空調(diào)、冰箱、熱水器、供熱系統(tǒng)，或火災(zāi)情況。
b.濕度傳感器 – 感應(yīng)環(huán)境中的濕氣等級(jí)。
c.氣體傳感器 – 可用于檢測(cè)廚房中的氣體泄漏。
d.光傳感器 – 可用于檢測(cè)房屋內(nèi)的光強(qiáng)度。
這些傳感器提供的信息（經(jīng)信號(hào)調(diào)節(jié)后）可被處理器用來(lái)制定與電器有關(guān)的幾個(gè)重要決策以及開(kāi)關(guān)電器。
3.安全等級(jí)：設(shè)計(jì)家庭自動(dòng)化系統(tǒng)的另一個(gè)主要要求是保證整個(gè)系統(tǒng)的安全。這樣，系統(tǒng)就不會(huì)被輕易更改，以避免非授權(quán)用戶控制房屋。系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠阻止大部分類型的入侵行為。即使系統(tǒng)被侵入，也應(yīng)能夠向用戶和最近的警察局發(fā)送信號(hào)。此外，系統(tǒng)還需隱藏主控制板上盡可能多的組件，使控制板對(duì)于試圖解除它的人來(lái)說(shuō)成為一個(gè)黑盒子。系統(tǒng)在與其它設(shè)備通信時(shí)應(yīng)能夠發(fā)送和理解編碼數(shù)據(jù)。這樣能防止其他人通過(guò)接入系統(tǒng)和相同的接口來(lái)非法入侵設(shè)備。
4.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定義了家庭自動(dòng)化控制單元間的交互方式。星形拓?fù)涫鞘褂米疃嗟慕Y(jié)構(gòu)。它利用CCU與所有RCU進(jìn)行交互并為它們制定決策。所有RCU將從傳感器獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送到CCU，如果CCU發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有任何問(wèn)題，就會(huì)送回指令以采取特定行動(dòng)。
另一個(gè)可考慮的結(jié)構(gòu)是網(wǎng)狀拓?fù)?。該結(jié)構(gòu)采用相似的控制單元。這些單元相互連接以構(gòu)成一個(gè)控制單元Web。每個(gè)單元都可在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送信息，同時(shí)信息被所有單元共享。各單元是獨(dú)立的，而且可依照有關(guān)環(huán)境的可用信息制定自身決策。
系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇決定了選擇哪種通信接口，例如ZigBee、RF、藍(lán)牙等。
5.自動(dòng)化深度：系統(tǒng)設(shè)計(jì)受需求的影響。這些需求可以簡(jiǎn)單到根據(jù)一天中不同時(shí)間來(lái)控制房屋內(nèi)的燈光，也可以復(fù)雜到控制所有的電器和安全系統(tǒng)。每種要求都會(huì)影響整體設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)人員需要確定最優(yōu)化的方法以最低成本和復(fù)雜性執(zhí)行所有任務(wù)。盡管系統(tǒng)內(nèi)部很復(fù)雜，但系統(tǒng)要易于使用，不能給房屋用戶的操作帶來(lái)難度。
6.成本：這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的方面，因?yàn)橄到y(tǒng)復(fù)雜性和自動(dòng)化深度決定系統(tǒng)成本。高度復(fù)雜和高成本的系統(tǒng)會(huì)打消客戶購(gòu)買和在房屋中安裝該系統(tǒng)的念頭。
系統(tǒng)的成本直接與組件數(shù)量、所用接口以及固件和硬件的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度有關(guān)。在不降低軟硬件質(zhì)量的前提下，應(yīng)減少系統(tǒng)中組件的數(shù)量，以降低總成本和系統(tǒng)尺寸?？衫闷舷到y(tǒng) (SoC)與多個(gè)外設(shè)和一個(gè)處理器進(jìn)行集成，以方便地實(shí)現(xiàn)更低的系統(tǒng)成本。
我們?cè)诘?部分中介紹了家庭自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般設(shè)計(jì)考慮因素。在第2部分，我們將探討家庭自動(dòng)化系統(tǒng)的架構(gòu)。