住宅自动化将继续开辟一个创新的时代,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。新的安全与住宅自动化系统运用了最新的传感、互联和计算技术,比如原始设备制造商(OEM)使用纳米级IC技术提供经济、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子系统(参见上面大图):

  • 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信接口,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。
  • 联网和通信:中央处理器中的微控制器需要连接网络才能与外设通信。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,可测定或检测温度、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设备保存传感器数据、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)中集成更多存储能力,则需要增加晶粒的尺寸,这样会增加系统成本,还会影响系统性能。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,手持式或便携式设备则要用电池。目前最先进的系统可以从光、振动或射频传输中获得电能用于家用电器的供电。根据当前的需求与趋势,电源子系统可以设置为几种不同的电源模式,如低功耗、待机或工作,以便在日常使用中实现低能耗。

系统实现

住宅自动化系统实际上是一个由各种外设组成的系统。为了满足用户需求并支持增值应用,需要考虑诸多设计挑战与限制。

中央处理器

微控制器的选择至关重要。市面上各种微控制器的性能参数如功耗、速度、计算能力、GPIO数量以及与各种通信协议和用户界面的兼容性都各不相同。过去十年来微控制器发生了很大的变化,已不同于传统架构。如今的微控制器配有多个内核,具备更大的存储容量、更多的外围设备和更智能的功能。微控制器与可编程系统芯片(SoC)架构之间的界线变得越来越模糊。

在住宅自动化系统框架中,需要根据设计的复杂程度为中央处理器配备多个子控制器。子控制器与中央处理器交互并接受中央处理器的命令。这种交互可以通过多种拓扑结构来实现。

星型拓扑结构最常用于多个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它子控制器的运行。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,在这样的拓扑结构中,中央控制器的数量不止一个,而且它们彼此互相连接。去中心化的结构增加了可靠性与运行时的带宽。在这些控制器中,每一个都具有同等的智能和独立运行能力。如果有一个控制器发生故障,其它控制器可以接替它以保证运行不被中断。

DI5_F1_201706

图1:星型网络与网状网络拓扑结构

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室内环境数据,然后中央处理器采取相应的动作,打开/关闭风扇或对空调进行控制,使室温处于舒适状态。中央处理器还可根据用户偏好和光传感器的数据打开/关闭灯光或控制灯光的亮度。智能、直观地操作家用电器节省了电能,使系统节能而环保。

除了用户的便捷性,该系统也考虑了住宅的安全性,它能通过运动传感器探测任何意外入侵并向住户发出警告。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,防止其损坏。在起火或有烟雾产生时,中央处理器会发出警报并且打开喷水灭火装置。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、热电偶和二极管做温度传感器)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则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。

DI5_T1_201706

表1:各种温度传感器

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,其它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。

DI5_F2_201706

图2:使用热敏电阻和RTD测量温度

PIR(被动式红外传感器)动作传感器可以感知运动并用于探测是否有人进入或离开传感器范围。该传感器通过测定发热物体的红外辐射(IR),探测到人体、动物或者其它物体的运动状态。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用于限制频带和滤除意外的噪声。

湿度传感器用于探测环境中的水分含量,这种传感器一般依靠因湿度发生变化的参数,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来测定湿度的变化。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(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用于住宅自动化系统。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,但也有一些使用的是电感式测量。

通信接口

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),并通过家用电线与电力线信号一同传输。外设可插入普通电源插口来建立通信连接。电器需要额外的调制解调器对接收到的信息进行解码。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。系统中的每个单元使用帧发送串行数据流,每个帧包含来源和目的地址、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等无线技术变得非常普及。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,非常适用于难以铺设电缆的有限空间。相比传统的有线网络,由于无线网络易于接入,因此其主要问题在于网络安全性。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,只需在网络范围内即可建立连接。因此,无线网络需要强大的加密与安全策略来避免数据安全风险。

ZigBee(IEEE 802.15.4)无线通信协议可用于10-100m范围内的低功耗小型网络,使用网状网络通过中间节点发送和接收数据。ZigBee一般用于通信速度和安全要求较低的低功耗应用,因此适合用于住宅自动化系统。

DI5_F3_201706

图3:各种通信接口和协议

蓝牙无线技术主要用于低成本、低功耗的无线网络,适于远程传感和监控应用。中央处理器作为主设备发起与其它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信。蓝牙适用于用户接口,用户可以远程访问控制系统并发送输入指令。

未来住宅自动化的改进

推进节能与安全的解决方案是当前住宅自动化的趋势所在。随着用户及其需求的增加,设计师正面临着如何使系统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。住宅自动化系统已开始采用基于智能卡与OTP(一次性授权)的安全访问技术,未来还会使用更先进的生物识别传感器,如指纹和视网膜扫描器,进行访问授权。

除了提高安全性,原始设备制造商也在为系统寻找其它的供电源。新推出的能量采集设备可以从振动、人体热量、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,以及带有可再生能源系统的设备,如太阳能热水器和太阳能发电机等。但这些功能的成本较高,因此原始设备制造商需要根据用户需求进行权衡。

住宅自动化系统看似复杂而昂贵,但与家电智能化所带来的诸多益处相比,增加的成本便微不足道。随着技术的进步,真正的自动化系统能够在不直接与我们互动的情况下知道我们的身份、所在的位置以及需求,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可以节省大量电能,为人们带来极大的便捷。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遥不可及。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包含ADC、模拟 OPAMP、闪存和数字通信接口(UART/ SPI/ I2C),具有灵活的配置性能。许多微控制器还支持蓝牙芯片技术,进一步降低了系统复杂性与开发成本。

作者:Ronak Desai,Arijit Karmakar,Cypress Semiconductors公司

《电子技术设计》2017年6月刊版权所有,谢绝转载。

20160630000123