家庭自动化系统设计(2):基于星形拓扑结构的系统架构

在第1部分，我们介绍了家庭自动化系统设计的一般设计考虑因素。在第2部分中，我们将介绍家庭自动化系统的架构。
我们首先从基于星形拓扑结构的家庭自动化系统开始。这类系统主要包括两类控制单元：1个中央控制单元(CCU)和多个房间控制单元(RCU)。
● 基于星形拓扑结构的家庭自动化系统架构



图1：系统架构


1.中央控制单元：中央控制单元是家庭自动化系统的中央枢纽和大脑。中央控制单元还可执行房间控制单元的功能。中央控制单元的常见功能包括：
a.使用各种传感器测量当前的环境条件，并相应地控制房间的灯光和风扇
b.通过GSM或以太网接收远程用户的指令，并依照接收到的指令控制特定房间内的电器
c.根据时间控制电器，例如在特定时间自动关闭电视
d.监测电源的当前状态，并在检测到电源故障时关闭电器
e.当检测到入侵行为或者在系统中检测到故障时通知远程用户
2.房间控制单元：房间控制单元控制特定房间内的电器，具有一套用来感应周围环境的传感器。它能根据当前条件确定动作路线。房间控制单元的常见功能包括：
a.使用各种传感器监测当前环境条件，并将数据传送给CCU
b.从CCU接收指令，并依据接收到的指令开关电器
c.根据便携式远程遥控装置的输入控制电器
d.根据用户按键的输入控制电器
让我们分别了解一下这两种单元的架构：
● 1.中央控制单元 
这是负责监控整个家庭自动化系统的主单元。该单元与各种其它系统模块连接，以执行所要求的任务。最常见的CCU接口如图2所示。其中有些接口是可选的，由系统和用户需求决定是否使用。


图2：中央控制单元模块级架构


典型中央控制单元中包含的模块有：
A.传感器：传感器是家庭自动化系统的眼睛。它们“观察”环境，并将发现的内容转换为很容易由微控制器或系统处理器测量的电量。基本的家庭自动化传感器包括温度传感器、湿度传感器、光传感器、气体传感器等。这些传感器提供的信号形式的数据可直接用来控制各种电器并且无需人为干预。例如，太阳落山时自动开启灯光；半小时内在房屋中未检测到任何动作时自动关闭空调；或者当系统检测到LPG泄露事件时响起警报。
B.模拟前端 (AFE)：每个传感器都将物理参数（例如温度或光强度）的变化转换为类似的电气参数（例如电阻或电容）变化。当这些物理量转换为等效电压后，微控制器就能识别环境变化。因此，需要将模拟前端(AFE)连接到模拟传感器。AFE通过滤除信号噪声并提供所需的信号增益，从而对传感器的输出信号进行预先处理。此外，AFE还需要针对传感器读数校准系统，为系统提供用以识别环境变化的基值。
C.远程连接：根据使用需要和其它设计考虑因素的要求，用户可能要对系统和电器实行远程控制。两种最常见的方法是使用GSM移动电话和因特网。GSM接口和以太网接口（或二者兼有之）都可用于从远程位置与系统进行通信。此外，系统也可向用户发送或“推入”有用的信息，例如定期升级、故障或入侵等。这些连接选项通常采用SPI或I2C等串行通信协议与主处理器进行通信。


【系列文章】
家庭自动化系统设计(1):一般设计考虑因素
家庭自动化系统设计(3):利用片上系统技术实现




        
D.本地连接：中央控制单元和房间控制单元需要定期以及在事件发生时相互通信。在CCU和RCU之间建立通信的方法有多种，应根据系统成本和拓扑结构来决定，这些方法包括：蓝牙、RF收发器和XBEE等。这些接口中的每一种都有利有弊，因此系统设计人员在选择特定接口之前要考虑全部系统要求。
E.手动控制：在典型的家庭自动化系统中，用户有时需要手动控制一个或多个电器。键盘和/或红外遥控器是为用户提供的最常见的系统控制方法。用户手动控制需要得到系统的授权，以防止系统被入侵者控制以及防止入侵警报的关闭。
F.实时时钟(RTC)：家庭自动化系统必须能够根据时间来控制电器。需要有一个精确的时间源，以便利用时间设置来控制电器。可利用外部RTC保持系统的时间，同时中央控制器能够对其进行访问以接收当前时间相关的信息。
G.NFC接口：近场通信(NFC)可用来实现接近通信。该技术在嵌入式应用中快速获得青睐，用以实现通信和信息共享。此外，在正门可采用该技术，让房主利用支持NFC 功能的智能手机锁门和开锁。
H.电源监控器：任何房屋内都有很多对电压波动比较敏感的电器设备，它们需要特定范围内的稳定电源电压才能按预期工作。可在中央控制单元内添加用以检查瞬时电源电压的电源监控器模块。该模块将电源的电压水平降低到一定级别，使系统能够利用ADC监控电压。控制器利用来自该模块的输入检测低电压、高电压和电压波动情况。在极端情况下，该模块能通知RCU关闭敏感电器以防止损坏。图3给出了简单电源监控器电路的实例。该电路能方便地在自动化系统中实现。


图3：电源监控器电路


在电源监控器电路中，分压器电路将电源电压降到能够用微控制器ADC安全测量的较低电压水平。峰值检测器电路为降低后电压设定一个可测量的范围。保护二极管将最大电压限制为齐纳电压 (Vz)，以保护微控制器。
● 2.房间控制单元 (RCU)
房间控制单元（下图所示）负责控制特定房间内安装的电器。该单元接收来自中央控制单元的控制命令，也接收能够直接控制电器的用户按键的命令。此外，房间控制单元还配有各种类型的内置传感器，用以监控各个房间内的电器。如果RCU具有IrDA接口，用户就能利用红外遥控器控制电器。如果局部通信方式是蓝牙，那么用户就可利用智能手机控制系统。
RCU属于辅助单元，负责监控局部环境条件并控制连接到该单元的局部电器。RCU对于有多个房间的大房子来说非常重要。这些单元将局部环境条件发送到中央控制单元，并根据CCU的命令控制局部区域内的电器。该单元与系统中的其它模块连接，以执行所要求的任务。图4给出了RCU的模块级方框图和描述。



图4：房间控制单元的模块级架构


A.按键：这些按键可用来直接控制电器，使用户能利用配电盘直接开关任意电器。这些按键在CCU系统出现故障时还可作为应急控制板。
B.红外传感器&解码器：这些模块为常用的便携式红外遥控器提供接口。
C.继电器驱动器：继电器需要约100mA的电流才能激活，因此继电器驱动器必须具备所需的驱动能力才能启动继电器。此外，它们还能保护控制器免受继电器产生的电感性冲击的破坏。
在第2部分中，我们介绍了基于星形拓扑结构的家庭自动化系统的架构。在第3部分中，我们将展示如何利用片上系统技术设计基本的家庭自动化系统。