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设计安全节能的住宅自动化系统

最新更新时间:2021-09-01 00:14
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住宅自动化将继续开辟一个新的创新时代,为家庭与办公室环境提供熟的解决方案。先进的嵌入式系统作为物联网(IoT)的一部分带来了智能电源控制与高级安全功能。通过传感器与处理器的组合,物联网(IoT)将各种设备与中央网络连接,使设备能够在没有任何用户干预的情况下完成工作。

住宅自动化的基本组成模块



图1:住宅自动化系统概览


一般的住宅自动化系统需要以下接口 (参见图1):


  • 中央处理器 (CPU):包含嵌入式计算所需的高性能、低功耗处理器或微控制器 (MCU)。高端微控制器支持多种通讯接口,可连接各种外设,包括传感器、温度控制器、家电、娱乐系统、安全警报以及安保系统等。实时操作系统  (RTOS) 在中央控制器上运行,实施全天候不间断监控并采取必要的措施。


  • 联网和通讯接口:中央处理器中的微控制器需要连接网络才能与外设通讯。根据消费者的需求,可以连接有线网络或无线网络。主流的住宅自动化应用使用PLC或以太网进行有线连接,使用ZigBee、射频或低功耗蓝牙进行无线连接。


  • 传感器和用户界面:中央处理器与传感器等各种外设连接,从而测定或检测温度、湿度、日光或运动。中央处理器还能打开/关闭制动器和电器,并且能够连接用户界面实现远程控制和显示系统状态。和早期使用需要触碰的机械式按钮不同,如今的自动化系统使用的是无需接触的电容式触摸界面。


  • 数据存储:住宅自动化系统需要使用本地存储保存传感器数据、用户偏好以及系统RTOS。用于物联网(IoT)应用程序的微控制器(MCU)的内置闪存不足以保存每天产生的大量数据。如需更多存储,则需要增加晶粒的尺寸、增加系统成本并且影响系统性能。


  • 电源装置:住宅自动化需要使用不同的电源,目前最先进的系统可以从光、振动或射频传输中获得电能并用于家用电器的供电。根据当前的需求与趋势,电源也可以加入不同的电源模式而根据常用情况实现低能耗。


系统实现



住宅自动化系统实际上是一个各种外设所组成的系统。为了满足用户需求和支持增值应用程序,需要将诸多设计挑战与限制考虑在内。


中央处理器:在住宅自动化系统框架中,中央处理器需要根据设计的复杂程度配备多个子控制器。子控制器与中央处理器相互作用交互并接受中央处理器的决定。可以使用多种拓扑结构实现这种交互。

图2:星型网络与网状网络拓扑结构


在星型拓扑结构中,一个子控制器的故障不会影响其他子控制器的运行。但中央控制器的故障会使整个系统瘫痪。因此,需要全天候运行的复杂系统应采用网状或网格拓扑结构。


在这些拓扑结构中,中央控制器的数量不止一个,而且它们彼此互相连接。流程的去中心化增加了可靠性与运行时的带宽。这些控制器中的每一个个体都具有同等的智能和独立运行的能力。如果有一个控制器发生故障,其他控制器可以接替它以保证运行不被中断。


传感器:传感器是住宅自动化系统的核心。环境传感器,如温度传感器、环境光传感器、湿度传感器和气体传感器等用于采集有关室内环境的数据。


传感器的选择取决于系统要求和兼容性。如要探测室温,可以使用不同类型的传感器,包括分立元件(热敏电阻、RTD、热电偶和二极管作为温度传感器)和集成电路(IC)。热敏电阻、RTD和热电偶等分立元件需要外部信号调节电路。


表1:各种温度传感器


开发人员设计信号调节电路时还需要考虑系统对于分辨率、探测范围和运行成本的要求。热电偶是一种能够根据相对环境温度产生温差电压的有源元件。热敏电阻和RTD是会根据绝对温度改变电阻值的无源元件。热敏电阻分为两种:PTC(正温度系数)和NTC(负温度系数)。表1对这几种温度传感器的不同参数进行了比较。


通讯接口: 中央控制器需要通过有线或无线连接与家用电器和传感器通信。有线连接使用以太网或电力线通信 (PLC) 技术。PLC是利用电力线进行通信和配电。


由于解决了线缆和线缆铺设所带来的复杂性与成本问题,Wi-Fi、低功耗蓝牙和ZigBee等无线技术已非常普及。

Wi-Fi降低了安装成本并且非常适用于难以铺设电缆的有限空间内。相比传统的有线网络,由于无线网络简化了接入,因此其主要问题在于网络的安全性。因此,无线网络需要强大的加密与安全策略避免数据安全风险。

 

ZigBee(IEEE 802.15.4) 无线通讯协议可以用于10-100米范围内的低功耗小型网络。ZigBee使用网状网络通过中间节点发送和接收数据。ZigBee一般用于对通讯速度和安全性较低的低功耗应用,因此适合用于住宅自动化系统。


图4 各种通讯接口和协议


蓝牙无线技术适用于远程传感和监控应用。蓝牙主要用于低成本、低功耗的无线网络。蓝牙适合用于用户接口。用户可以远程访问控制系统并且发送输入指令。

未来住宅自动化的改进



当前的住宅自动化趋势是推动节能、安全的解决方案。


  • 降低功耗和成本的同时使系统防止各种入侵

基于智能卡与OTP  (一次性授权) 的安全访问技术目前正在被引入住宅自动化系统,而更先进的生物识别传感器,如指纹和视网膜扫描器等也正在被逐步用于访问授权。


  • 基于用户需求为系统寻找其他产生电能的来源

新推出的能量采集设备可以从振动、体温、太阳光和射频传输中生成电能。超高效率的住宅自动化系统需要结合先进的节能家电,以及带有商业可再生能源系统的设备,如太阳能热水器和太阳能发电器等

 

凭借今天的技术,实现住宅自动化不再是一项遥不可及的工作。可编程系统芯片的上市加快了住宅自动化系统的实现。高度集成的微控制器可以灵活兼容各种能力,包括ADC、模拟 OPAMP、闪存和数字通讯接口 (UART/SPI/ I2C)。许多微控制器还支持蓝牙芯片技术,这进一步降低了系统复杂性与开发成本。


 

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