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