设计安全节能的住宅自动化系统

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