隨著可編程系統(tǒng)芯片和高度集成的微控制器的技術(shù)突破，住宅自動化將開啟全新智慧化時代，運用最新的傳感、互聯(lián)和計算技術(shù)打造的節(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)為家庭與辦公室環(huán)境提供成熟的解決方案。

　　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(jìn)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(lán)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(jìn)行有線連接，使用ZigBee、射頻或低功耗藍(lán)牙進(jìn)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(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(hù)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(jìn)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(dāng)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。可以使用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(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(jìn)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?fù)浣Y(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?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，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?fù)浣Y(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(fù)溫度系數(shù))。表2對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(jìn)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(yuǎn)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。現(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。