设计安全节能的住宅自动化系统

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成熟的解决方案。使用微控制器的系统通过节能、智能、安全、操控直观且互联选项丰富的住宅自动化系统为消费者提供帮助。安全与住宅自动化系统领域的最新进展运用最新的传感、互联和计算技术。比如纳米级IC技术使原设备制造商（OEMs）能够制造经济、节能的小型解决方案。

住宅自动化帮助控制家庭与办公室环境中的设备。早期系统只能用于调节照明、开/关电器和控制温度。如今，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。正是因为有了互联网、Wi-Fi和蓝牙，这些系统才能通过智能手机、平板电脑或计算机轻松操作。

住宅自动化的基本组成模块

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)：中央处理器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：在住宅自动化系统中，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。早期的用户界面采用需要触碰的机械式按钮。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）带有内置闪存，但这不足以保存每天产生的大量数据。如果要在微控制器（MCU）中集成更多存储，则需要增加晶粒的尺寸、增加系统成本并且影响系统性能。大型住宅网络需要一个独立的空间放置存储设备。使用大型服务器作为存储设备则会增加运营与维护的成本。开发人员所面临的挑战是在存储容量与运营成本之间作出取舍。

电源装置：住宅自动化需要使用不同的电源，比如电器需要使用高压交流电，手持式或便携式用户界面则需要使用电池。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。

图1：住宅自动化系统概览 (来源：赛普拉斯半导体)

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：微控制器的选择至关重要。市面上的微控制器有着不同的功耗、速度、计算能力、GPIO数量以及与各通讯协议和用户界面的兼容性等性能参数。除了传统的架构之外，微控制器在过去的10年发生了显著的变化。如今的微控制器配有多个内核，且具备更大存储容量、更多外围设备和更智能的功能。微控制器与可编程系统芯片 (SoC) 架构之间的界线正变得越来越模糊。

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。

星型拓扑结构最常用于所有子控制器与一个中央处理器连接的架构。子控制器将来自传感器的数据发送给中央处理器。中央处理器对信息进行分析并且向子控制器发送具体的行动要求。根据所收到的命令，各子控制器控制其外设。在这种拓扑结构中，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。

图2：星型网络与网状网络拓扑结构 (来源：赛普拉斯半导体)

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。中央处理器据此打开/关闭风扇或控制空调，从而保持室温处在舒适的状态。中央处理器还可根据用户偏好和光传感器的数据打开/关闭灯光以及控制灯光的亮度。家用电器通过智能、直观的操作节省了电能，使系统变得节能而环保。

除了考虑用户的便捷性之外，该系统还考虑到住宅的安全性。它能通过运动传感器探测任何意外的入侵并且向住户发出警告。中央处理器还考虑了紧急情况。如果发生电源故障，系统会关闭电器从而防止其损坏。在发生火灾或烟雾时，中央处理器会发出警报并且打开喷淋器。气体传感器可用于探测起火或烟雾。

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。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2对这几种温度传感器的不同参数进行了比较。

表2：各种温度传感器 (来源：赛普拉斯半导体)

RTD的可重复性与精确度最高。温度传感器的集成电路包含集成信号调节电路。大部分集成信号调节电路通过一个通用 (如UART、I2C或SPI) 接口传输数字格式的处理数据。其他电路传输模拟格式的电压或电流数据。带集成ADC的微控制器可以处理此类模拟数据并探测温度。

图3：使用热敏电阻和RTD测量温度 (来源：赛普拉斯半导体)

PIR (被动式红外传感器) 动作传感器可以感知运动并且用于探测是否有人进入或离开传感器范围。该传感器通过测定一个发热物体的红外辐射 (IR)，从而探测到人体、动物或者其他物体的运动状态。PIR传感器一般搭配透镜使用，透镜可以将远程红外辐射聚焦到传感器表面。作为信号调节电路一部分的滤波器被用于限制频带和滤除意外的噪音。

湿度传感器用于探测环境中的水分含量。它们一般依靠于其他一些因湿度而发生变化的参数，如压力、温度或数量等。现代传感器可以通过测定电容或电阻的变化测定湿度的变化。电阻湿度传感器的敏感度低于电容湿度传感器，因此较少使用。电容的测定需要用到复杂的信号调节电路，比如交流电桥等。还可使用测定相位或频率的方法来测定电容的变化。现在的片上系统芯片（SoC）采用先进的电容传感技术直接测定电容。

环境光传感器与接近传感器被广泛应用住宅自动化系统。环境光传感器主要是光敏元件。在电阻光传感器中，电阻随光的变化而变化。二极管和晶体管等有源环境光传感器也可用于探测光的变化。大部分接近传感器基于电容式测量，然而，也有一些使用的是电感式测量。

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 。一般进行数字信号载波调制 (~20-200 kHz) 并且通过家用电线与电力线信号一同传输。外设被插入到普通电源插口以建立通讯连接。但电器需要额外的调制解调器解码接收到的信息。使用PLC技术的设计师还必需解决拥挤运行环境中的“扩展频谱”和“无线电干扰”等问题。

通过以太网，外设、电器和中央控制器经局域网 (LAN) 连接。系统中的每个单元通过使用帧发送串行数据流。每个帧包含来源和目的地地址、数据以及错误校验信息。传感器通过UART、SPI或I2C接口将数据传输到子控制器，而子控制器通过以太网接口将信息传输到中央控制器。

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。通过Wi-Fi (IEEE 802.11) 可以建立本地无线网络，并且所有外设可以通过2.4GHz或5Ghz频带连接该网络。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。在有线网络中，必需直接连接网线才能与网络连接。而在Wi-Fi中，只需要在网络的范围内即可连接网络。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 (来源：赛普拉斯半导体)

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。其中，中央处理器作为主设备发起与其他作为从属设备的外设的对话。在特定的时间点，只有一台从属设备可以进行广播和与主机通讯。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。随着用户的增加及其要求的增多，设计师正面临着如何使系统能够防止各种入侵的严峻挑战。同时，他们还需要降低功耗和成本。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。

除了提高安全性之外，原始设备制造商正在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。但这些功能的成本较高，而且原始设备制造商需要基于用户需求对此进行权衡。

乍看之下，住宅自动化系统似乎复杂而昂贵。但引入智能化家电所带来的诸多益处可以抵消这些成本。随着技术的进步，真正的自动化系统能够在不与我们发生直接互动的情况下知道我们的身份、所在的位置和需求，在我们走进房间时打开灯光和电扇，当我们离开住宅时调节温度，并且在发生各种紧急情况时发出警报。这些直观的智能化操控方法可以节省大量电能，并且带来更高的便捷性。此外，住宅的安保与安全也被考虑在内。 

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。