住宅自動化說明控制家庭與辦公室環境中的設備。早期系統只能用於調節照明、開/關電器和控制溫度。如今,先進的嵌入式系統作為物聯網(IoT)的一部分,帶來了智慧電源控制與高級安全功能。透過感測器與處理器的組合,物聯網將各種設備與中央網路連接,使設備 能夠在沒有任何使用者干預的情況下完成工作。正是因為有了網際網路、Wi-Fi和藍牙,這些系統才能透過智慧型手機、平板電腦或電腦輕鬆操作。

住宅自動化的基本組成模組

一般的住宅自動化系統需要以下子系統(圖1):

20170616TA01P1 圖1 住宅自動化系統概覽。

˙中央處理器(CPU): 中央處理器包含嵌入式運算所需的高性能、低功耗處理器或微控制器。高階微控制器支援多種通訊介面,可連接各種週邊,包括感測器、溫度控制器、家電、娛樂系統、安全警報,以及保全系統等。即時作業系統(RTOS)在中央控制器上運作,實施全天候不間斷監控並採取必要的措施。

˙連網和通訊: 中央處理器中的微控制器需要連接網路才能與週邊通訊。根據消費者的需求,可以連接有線網路或無線網路。主流的住宅自動化應用使用電力線通訊(PLC)或乙太網路進行有線連接,使用ZigBee、射頻(RF)或藍牙低功耗(BLE)進行無線連接。

˙感測器和使用者介面: 在住宅自動化系統中,中央處理器與感測器等各種週邊連接,可測定或檢測溫度、濕度、日光或運動。中央處理器還能打開/關閉制動器和電器,並且能夠連接使用者介面實現遠端控制和顯示系統狀態。早期的使用者介面採用需要觸碰的機械式按鈕;如今的自動化系統使用無需接觸的電容式觸控介面。

˙資料儲存: 住宅自動化系統需要使用本機存放區設備保存感測器資料、使用者偏好及系統RTOS。用於物聯網應用程式的微控制器帶有內建快閃記憶體,但這不足以保存每天產生的大量資料。如果要在微控制器中整合更多儲存能力,則需要增加晶粒的尺寸,這樣會增加系統成本,還會影響系統性能。大型住宅網路需要一個獨立的空間放置儲存裝置,使用大型伺服器作為存放裝置則會增加運營與維護成本,開發人員所面臨的挑戰是在儲存容量與營運成本之間作出取捨。

˙電源裝置: 住宅自動化需要使用不同的電源,比如電器需要使用高壓交流電,掌上型或可攜式設備則要用電池。目前最先進的系統可以從光、振動或射頻傳輸中獲得電能以用於家用電器的供電。根據當前的需求與趨勢,電源子系統可以設置為幾種不同的電源模式,如低功耗、待機或工作,以便在日常使用中實現低耗能。

系統實現

住宅自動化系統實際上是一個由各種週邊組成的系統。為了滿足使用者需求並支援增值應用,需要考慮諸多設計挑戰與限制。

中央處理器

微控制器的選擇至關重要。市面上各種微控制器的性能參數如功耗、速度、運算能力、GPIO數量,以及與各種通訊協定和使用者介面的相容性都各不相同。過去十年來,微控制器發生了很大的變化,已不同於傳統架構,如今的微控制器配有多個核心,具備更大的儲存容量、更多的週邊設備和更智慧的功能。微控制器與可程式設計系統單晶片(SoC)架構之間的界線變得越來越模糊。

在住宅自動化系統框架中,需要根據設計的複雜程度為中央處理器配備多個子控制器。子控制器與中央處理器交互並接受中央處理器的命令。這種交互可以透過多種拓撲結構來實現。

星狀拓撲結構最常用於多個子控制器與一個中央處理器連接的架構。子控制器將來自感測器的資料發送給中央處理器;中央處理器對資訊進行分析並向子控制器發送具體的行動要求;根據所收到的命令,各子控制器控制其週邊。在這種拓撲結構中,一個子控制器的故障不會影響其他子控制器的運作,但中央控制器的故障會使整個系統癱瘓。因此,需要全天候運行的複雜系統應採用網狀或網格拓撲結構,在這樣的拓撲結構中,中央控制器的數量不止一個,而且它們彼此互相連接。去中心化的結構增加了可靠性與運行時的頻寬。在這些控制器中,每一個都具有同等的智慧和獨立運行能力。如果有一個控制器發生故障,其他控制器可以接替它以保證運作不被中斷。

20170616TA01P2 圖2 星狀網路與網狀網路拓撲結構。

感測器

感測器是住宅自動化系統的核心。環境感測器,如溫度感測器、環境光感測器、濕度感測器和氣體感測器等用於採集室內環境資料,然後中央處理器採取相應的動作,打開/關閉風扇或對空調進行控制,使室溫處於舒適狀態。中央處理器還可根據使用者偏好和光感測器的資料打開/關閉燈光或控制燈光的亮度。智慧、直覺地操作家用電器節省了電能,使系統節能而環保。

除了使用者的便捷性,該系統也考慮了住宅的安全性,它能透過運動感測器探測任何意外入侵,並向住戶發出警告。中央處理器還考慮了緊急情況,如果發生電源故障,系統會關閉電器,防止其損壞,在起火或有煙霧產生時,中央處理器會發出警報並且打開噴水滅火裝置,而氣體感測器可用於探測起火或煙霧。

感測器的選擇取決於系統要求和相容性。如要探測室溫,可以使用不同類型的感測器,包括離散元件(如熱敏電阻、RTD、熱電偶和二極體做溫度感測器)和IC。熱敏電阻、RTD和熱電偶等離散元件需要外部訊號調節電路。開發人員設計訊號調節電路時還需要考慮系統對解析度、探測範圍和運行成本的要求。熱電偶是一種能夠根據相對環境溫度產生溫差電壓的主動元件,熱敏電阻和RTD則是會根據絕對溫度改變電阻值的被動元件。熱敏電阻分為兩種:正溫度係數(PTC)和負溫度係數(NTC)。表1對這幾種溫度感測器的不同參數進行了比較。

20170616TA01P2-1 表1 各種溫度感測器。

RTD的可重複性與精確度最高。溫度感測器的IC包含整合訊號調節電路。大部分整合訊號調節電路透過一個通用(如UART、I2C或SPI)介面傳輸數位格式的處理資料,其他電路傳輸類比格式的電壓或電流資料。整合ADC的微控制器可以處理此類類比資料並探測溫度。

被動式紅外線感測器(PIR)動作感測器可感知運動並用於探測是否有人進入或離開感測器範圍。感測器透過測定發熱物體的紅外線輻射,探測到人體、動物或其他物體的運動狀態。PIR感測器一般搭配透鏡使用,透鏡可將遠端紅外線輻射聚焦到感測器表面,以作為訊號調節電路一部分的濾波器,並用於限制頻帶和濾除意外的雜訊。

濕度感測器用於探測環境中的水分含量,這種感測器一般依靠因濕度發生變化的參數,如壓力、溫度或數量等。現代感測器可以透過測定電容或電阻的變化來測定濕度的變化,電阻濕度感測器的敏感度低於電容濕度感測器,因此較少使用。電容的測定需要用到複雜的訊號調節電路,比如交流電橋等。還可使用測定相位或頻率的方法來測定電容的變化。現在的SoC採用先進的電容感測技術直接測定電容。

20170616TA01P3 圖3 使用熱敏電阻和RTD測量溫度。

通訊介面

中央控制器需要透過有線或無線連接與家用電器和感測器通訊,有線連接使用乙太網路或電力線通訊技術。PLC是利用電力線進行通訊和配電,一般進行數位訊號載波調變(~20~200kHz),並透過家用電線與電力線訊號一同傳輸。週邊可插入普通電源插口來建立通訊連接。電器需要額外的數據機對接收到的資訊進行解碼。使用PLC技術的設計師還必需解決擁擠運行環境中的「擴展頻譜」和「無線電干擾」等問題。

通過乙太網路、週邊、電器和中央控制器經區域網路(LAN)連接。系統中的每個單元使用幀(frame)發送串列資料流程,每個幀包含來源和目的地址、資料及錯誤校驗資訊。感測器透過UART、SPI或I2C介面將資料傳輸到子控制器,而子控制器透過乙太網介面將資訊傳輸到中央控制器。

由於解決線纜和線纜鋪設所帶來的複雜性與成本問題,Wi-Fi、低功耗藍牙和ZigBee等無線技術變得非常普及。利用Wi-Fi(IEEE 802.11)可以建立本地無線網路,並且所有週邊可以透過2.4GHz或5GHz頻段連接該網路。Wi-Fi降低了安裝成本,非常適用於難以鋪設電纜的有限空間。相比傳統的有線網路,由於無線網路易於接入,因此其主要問題在於網路安全性;在有線網路中,必需直接連接網路線才能與網路連接,而在Wi-Fi中,只需在網路範圍內即可建立連接,因此,無線網路需要強大的加密與安全性原則來避免資料安全風險。

ZigBee(IEEE 802.15.4)無線通訊協定可用於10~100m範圍內的低功耗小型網路,使用網狀網路透過中間節點發送和接收資料。ZigBee一般用於通訊速度和安全要求較低的低功耗應用,因此適合用於住宅自動化系統。

藍牙無線技術主要用於低成本、低功耗的無線網路,適於遠端傳感和監控應用。中央處理器作為主設備發起與其他作為從屬設備的週邊對話,在特定的時間點,只有一台從屬設備可以進行廣播和與主機通訊。藍牙適用於使用者介面,使用者可以遠端存取控制系統並發送輸入指令。

未來住宅自動化的改進

節能與安全的解決方案的演進是當前住宅自動化的趨勢所在。隨著用戶及其需求的增加,設計師正面臨著如何使系統防止各種入侵的嚴峻挑戰。同時,他們還需要降低功耗和成本。住宅自動化系統已開始採用基於智慧卡與一次性授權(OTP)的安全訪問技術,未來還會使用更先進的生物識別感測器,如指紋和視網膜掃描。

除了提高安全性,原始設備製造商也在為系統尋找其他的供電源。新的能量採集設備可從振動、人體熱量、太陽光和射頻傳輸中生成電能,超高效率的住宅自動化系統需結合先進的節能家電,以及具備可再生能源系統的設備,如太陽能熱水器和太陽能發電機等。但這些功能的成本較高,因此原始設備製造商需要根據使用者需求衡量。

住宅自動化系統看似複雜而昂貴,但與家電智慧化所帶來的諸多益處相比,增加的成本便微不足道。隨著技術的進步,真正的自動化系統能夠在不直接與我們互動的情況下知道我們的身份、所在的位置及需求,在我們走進房間時打開燈光和電扇,當我們離開住宅時調節溫度,並且在發生各種緊急情況時發出警報。這些直覺的智慧化操控可以節省大量電能。此外,住宅的保全與安全也被考慮在內。

憑藉今天的技術,實現住宅自動化不再遙不可及。可程式設計系統單晶片加快了住宅自動化系統的實現,高度整合的微控制器可包含ADC、類比OPAMP、快閃記憶體和數位通訊介面(UART/SPI/I2C),具有靈活的配置性能。許多微控制器還支援藍牙,進一步降低了系統複雜性與開發成本。