設(shè)計(jì)安全節(jié)能的住宅自動(dòng)化系統(tǒng)

　　住宅自動(dòng)化將繼續(xù)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(tǒng)通過(guò)節(jié)能、智能、安全、操控直觀且互聯(lián)選項(xiàng)豐富的住宅自動(dòng)化系統(tǒng)為消費(fèi)者提供幫助。安全與住宅自動(dòng)化系統(tǒng)領(lǐng)域的最新進(jìn)展運(yùn)用最新的傳感、互聯(lián)和計(jì)算技術(shù)。比如納米級(jí)IC技術(shù)使原設(shè)備制造商(OEMs)能夠制造經(jīng)濟(jì)、節(jié)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(shè)備。早期系統(tǒng)只能用于調(diào)節(jié)照明、開(kāi)/關(guān)電器和控制溫度。如今，先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)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(jí)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(shè)備與中央網(wǎng)絡(luò)連接，使設(shè)備能夠在沒(méi)有任何用戶干預(yù)的情況下完成工作。正是因?yàn)橛辛嘶ヂ?lián)網(wǎng)、Wi-Fi和藍(lán)牙，這些系統(tǒng)才能通過(guò)智能手機(jī)、平板電腦或計(jì)算機(jī)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(tǒng)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(jì)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(lè)系統(tǒng)、安全警報(bào)以及安保系統(tǒng)等。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 在中央控制器上運(yùn)行，實(shí)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(fèi)者的需求，可以連接有線網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。主流的住宅自動(dòng)化應(yīng)用使用PLC或以太網(wǎng)進(jìn)行有線連接，使用ZigBee、射頻或低功耗藍(lán)牙進(jìn)行無(wú)線連接。

　　傳感器和用戶界面：在住宅自動(dòng)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(cè)定或檢測(cè)溫度、濕度、日光或運(yùn)動(dòng)。中央處理器還能打開(kāi)/關(guān)閉制動(dòng)器和電器，并且能夠連接用戶界面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(jī)械式按鈕。如今的自動(dòng)化系統(tǒng)使用的是無(wú)需接觸的電容式觸摸界面。

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：住宅自動(dòng)化系統(tǒng)需要使用本地存儲(chǔ)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(chǔ)，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(gè)獨(dú)立的空間放置存儲(chǔ)設(shè)備。使用大型服務(wù)器作為存儲(chǔ)設(shè)備則會(huì)增加運(yùn)營(yíng)與維護(hù)的成本。開(kāi)發(fā)人員所面臨的挑戰(zhàn)是在存儲(chǔ)容量與運(yùn)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界面則需要使用電池。目前最先進(jìn)的系統(tǒng)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(jù)當(dāng)前的需求與趨勢(shì)，電源也可以加入不同的電源模式而根據(jù)常用情況實(shí)現(xiàn)低能耗。

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

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　住宅自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)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(jì)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(jì)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(guò)去的10年發(fā)生了顯著的變化。如今的微控制器配有多個(gè)內(nèi)核，且具備更大存儲(chǔ)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(lái)越模糊。

　　在住宅自動(dòng)化系統(tǒng)框架中，中央處理器需要根據(jù)設(shè)計(jì)的復(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這種交互。

　　星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最常用于所有子控制器與一個(gè)中央處理器連接的架構(gòu)。子控制器將來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送給中央處理器。中央處理器對(duì)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(jù)所收到的命令，各子控制器控制其外設(shè)。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一個(gè)子控制器的故障不會(huì)影響其他子控制器的運(yùn)行。但中央控制器的故障會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。因此，需要全天候運(yùn)行的復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)采用網(wǎng)狀或網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，中央控制器的數(shù)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(yùn)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(dú)立運(yùn)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(yùn)行不被中斷。

　　圖2：星型網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) (來(lái)源：賽普拉斯半導(dǎo)體)

　　傳感器：傳感器是住宅自動(dòng)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(kāi)/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(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(guò)運(yùn)動(dòng)傳感器探測(cè)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(huì)關(guān)閉電器從而防止其損壞。在發(fā)生火災(zāi)或煙霧時(shí)，中央處理器會(huì)發(fā)出警報(bào)并且打開(kāi)噴淋器。氣體傳感器可用于探測(cè)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(cè)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(hào)調(diào)節(jié)電路。開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)節(jié)電路時(shí)還需要考慮系統(tǒng)對(duì)于分辨率、探測(cè)范圍和運(yùn)行成本的要求。熱電偶是一種能夠根據(jù)相對(duì)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(jù)絕對(duì)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(shù)) 和NTC (負(fù)溫度系數(shù))。表2對(duì)這幾種溫度傳感器的不同參數(shù)進(jìn)行了比較。

　　表2：各種溫度傳感器 (來(lái)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(hào)調(diào)節(jié)電路。大部分集成信號(hào)調(diào)節(jié)電路通過(guò)一個(gè)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(cè)溫度。

　　圖3：使用熱敏電阻和RTD測(cè)量溫度 (來(lái)源：賽普拉斯半導(dǎo)體)

　　PIR (被動(dòng)式紅外傳感器) 動(dòng)作傳感器可以感知運(yùn)動(dòng)并且用于探測(cè)是否有人進(jìn)入或離開(kāi)傳感器范圍。該傳感器通過(guò)測(cè)定一個(gè)發(fā)熱物體的紅外輻射 (IR)，從而探測(cè)到人體、動(dòng)物或者其他物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。PIR傳感器一般搭配透鏡使用，透鏡可以將遠(yuǎn)程紅外輻射聚焦到傳感器表面。作為信號(hào)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(cè)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(guò)測(cè)定電容或電阻的變化測(cè)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(cè)定需要用到復(fù)雜的信號(hào)調(diào)節(jié)電路，比如交流電橋等。還可使用測(cè)定相位或頻率的方法來(lái)測(cè)定電容的變化?，F(xiàn)在的片上系統(tǒng)芯片(SoC)采用先進(jìn)的電容傳感技術(shù)直接測(cè)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(dòng)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(cè)光的變化。大部分接近傳感器基于電容式測(cè)量，然而，也有一些使用的是電感式測(cè)量。

　　通訊接口

　　中央控制器需要通過(guò)有線或無(wú)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(jìn)行通信和配電 。一般進(jìn)行數(shù)字信號(hào)載波調(diào)制 (~20-200 kHz) 并且通過(guò)家用電線與電力線信號(hào)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(jì)師還必需解決擁擠運(yùn)行環(huán)境中的“擴(kuò)展頻譜”和“無(wú)線電干擾”等問(wèn)題。

　　通過(guò)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(gè)單元通過(guò)使用幀發(fā)送串行數(shù)據(jù)流。每個(gè)幀包含來(lái)源和目的地地址、數(shù)據(jù)以及錯(cuò)誤校驗(yàn)信息。傳感器通過(guò)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(guò)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(lái)的復(fù)雜性與成本問(wèn)題，Wi-Fi、低功耗藍(lán)牙和ZigBee等無(wú)線技術(shù)已非常普及。通過(guò)Wi-Fi (IEEE 802.11) 可以建立本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，并且所有外設(shè)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(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(wú)線網(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(wú)線網(wǎng)絡(luò)需要強(qiáng)大的加密與安全策略避免數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)。

　　ZigBee (IEEE 802.15.4) 無(wú)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(guò)中間節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。ZigBee一般用于對(duì)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(dòng)化系統(tǒng)。

　　圖4 各種通訊接口和協(xié)議 (來(lái)源：賽普拉斯半導(dǎo)體)

　　藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)適用于遠(yuǎn)程傳感和監(jiān)控應(yīng)用。藍(lán)牙主要用于低成本、低功耗的無(wú)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(duì)話。在特定的時(shí)間點(diǎn)，只有一臺(tái)從屬設(shè)備可以進(jìn)行廣播和與主機(jī)通訊。藍(lán)牙適合用于用戶接口。用戶可以遠(yuǎn)程訪問(wèn)控制系統(tǒng)并且發(fā)送輸入指令。

　　未來(lái)住宅自動(dòng)化的改進(jìn)

　　當(dāng)前的住宅自動(dòng)化趨勢(shì)是推動(dòng)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(jì)師正面臨著如何使系統(tǒng)能夠防止各種入侵的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。同時(shí)，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(wèn)技術(shù)目前正在被引入住宅自動(dòng)化系統(tǒng)，而更先進(jìn)的生物識(shí)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(wèn)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(lái)源。新推出的能量采集設(shè)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(tǒng)需要結(jié)合先進(jìn)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(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(shè)備制造商需要基于用戶需求對(duì)此進(jìn)行權(quán)衡。

　　乍看之下，住宅自動(dòng)化系統(tǒng)似乎復(fù)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。隨著技術(shù)的進(jìn)步，真正的自動(dòng)化系統(tǒng)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(dāng)我們離開(kāi)住宅時(shí)調(diào)節(jié)溫度，并且在發(fā)生各種緊急情況時(shí)發(fā)出警報(bào)。這些直觀的智能化操控方法可以節(jié)省大量電能，并且?guī)?lái)更高的便捷性。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(shí)現(xiàn)住宅自動(dòng)化不再是一項(xiàng)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(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)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(lán)牙芯片技術(shù)，這進(jìn)一步降低了系統(tǒng)復(fù)雜性與開(kāi)發(fā)成本。