标签: 家庭自动化系统

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。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 【 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。 关于作者： Rahul Raj Sharma是赛普拉斯半导体公司USB器件业务的应用工程师。他从事PSoC应用的研究，热衷于开发模拟和混合信号设计。他的联系方式是rrsh@cypress.com Tushar Rastogi是赛普拉斯半导体公司的应用工程师。他从2012年开始研究基于PSoC的应用。他的职责包括PSoC固件编程、应用开发、编程方面的客户技术支持以及边界扫描相关问题和技术资料的撰写。他的联系方式是tusr@cypress.com 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 【 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

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，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。 SoC架构能将系统的大部分功能集成到单个芯片中，以缩短上市进程和减少材料清单成本。由于这种集成方法将实现方案隐藏在芯片中，因此对系统进行反向工程的难度加大。 除了加速设计外，SoC还可提供几种有助于OEM厂商在嵌入式市场中取得成功的业务优势： 1.更低的成本： 集成组件的总成本显著高于单个SoC的成本。 2.更快的上市进程： 考虑到设计人员能利用更少的外部组件实现更小的系统，因此SoC能缩短产品上市所需的时间。 3.简化的系统可变性： SoC具有不同的接口和功能，因此可基于相同SoC设计多个家庭自动化系统。这样更利于在系统中使用SoC并保持架构不变，使设计工作更趋近于即插即用方式。使用单个器件能减少组件数量，从而实现更小型的解决方案。 SoC提供不同级别的集成度。例如，赛普拉斯的PSoC系列MCU集成了家庭自动化系统所需的大部分组件，只需外部传感器和有限数量的无源组件即可。此外，PSoC架构内的通用数字模块(UDB)提供可编程硬件逻辑，使设计人员能够在可编程逻辑模块 (PLD)中集成定制数字逻辑，以实现更高的集成度。 系统要求： 1.采样多个传感器的ADC 2.连接各种外设的SPI通信接口 3.连接RTC 的I2C通信接口 4.十六进制键盘接口 5.面向红外遥控器的IrDA接口 6.用于驱动驱动器电路的输出引脚 系统级设计 为协助用户采用SoC架构进行开发，芯片制造商提供了专用工具。这些工具有助于管理通信任务和通过SoC的数据流，便于建立可靠的固件并配置可编程逻辑资源。例如，赛普拉斯的PSoC Creator提供图形化设计界面，允许开发人员快速使用经过预先验证的生产就绪型组件，且组件具有简化的配置和易于使用的API等。 图1：PSoC Creator 中显示的家庭自动化系统架构 （点击查看大图） 图1给出了完整的家庭自动化系统设计。所用的各种组件包括： A.ADC：ADC可用来从温度和气体传感器中获取读数，对传感器进行采样，并提供数字值以供CPU制定智能控制决策。 B.热敏电阻：该组件提供一个API，用以将与温度传感器对应的数字读数转换为温度。 C.SPI：SPI组件可与NFC、以太网等各种外设直接连接。该接口使用一个额外的解复用器来连接采用单个主机的多个通信模块。 D.I2C：I2C组件连接到RTC，而且可方便地进行扩展以连接任意I2C从设备。 E.十六进制键盘：这是一个在设计环境内部实现的定制组件。该组件采用由UDB设计的状态机，读取4x4键盘中检测到的按键输入。 F.IrDA解码器：该组件接收来自IrDA接收器的信号，对信号进行解码，并将译码结果提供给CPU进行评估和处理。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 【 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(2):基于星形拓扑结构的系统架构 定制组件的内部电路：SoC设计工具使开发人员能够灵活性地利用常见系统模块设计定制组件，并通过易于使用的模块隐藏复杂电路。以上设计采用两种定制组件： A.IrDA解码器：该模块能解码由RC5协议编码的红外信号。RC5数据包一般有14位，以曼彻斯特编码格式发送。 图2：曼彻斯特编码远程输出 Bit Extractor模块按照以下方式从来自TSOP IrDA接收器的输入信号恢复位和时钟。第一个XOR门电路从信号中恢复埋时钟。该信号以串行时钟3/4的周期触发PWM组件。当PWM到达最终计数时会触发第二个DFF，用以采样反转信号。反转的DFF输出信号在传送到移位寄存器之前被再次反转。利用查找表 (LUT) 来计算接收到的位数，当收到第14个位时触发一个中断。在该中断内，CPU读取存储在移位寄存器中的接收数据。 图3：IrDA解码器电路图 B.十六进制键盘：十六进制键盘为16按键输入，分为四行和四列以提供 (4 x 4 =) 16个唯一按键。在给定组件中，其中一个列引脚被置成低电平，同时读取行。如果未检测到按键动作，那么下个列引脚置为低电平，并将前一个引脚置为高电平。当相应的列引脚置为低电平时如果有一个行引脚变为低电平，那么此时检测到按键动作。按键动作检测会让“有效”行变为高电平。这个有效终端可用来产生中断。在中断内，CPU会读取“Key_Reg”寄存器以获取关于该按键的信息。 图4：十六进制键盘解码器电路图 关于作者： Rahul Raj Sharma是赛普拉斯半导体公司USB器件业务的应用工程师。他从事PSoC应用的研究，热衷于开发模拟和混合信号设计。他的联系方式是rrsh@cypress.com Tushar Rastogi是赛普拉斯半导体公司的应用工程师。他从2012年开始研究基于PSoC的应用。他的职责包括PSoC固件编程、应用开发、编程方面的客户技术支持以及边界扫描相关问题和技术资料的撰写。他的联系方式是tusr@cypress.com 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 【 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(2):基于星形拓扑结构的系统架构

家庭自动化是指为了用户的便利自动控制家用电器的过程与技术。这种技术依照严格的要求使用设备并防止误用，从而让生活变得更加轻松，同时可节省能源。就控制而言，最基本的形式是用遥控器调节灯光明暗，而复杂的则包括在家中组建一个设备网络，利用主控制器甚至通过手机从世界任意地点对网络进行编程。 家庭自动化系统涉及的操作包括在达到所需温度时将空调或冰箱等大型电器关闭一段时间，然后，当温度越过某个临界值后再将电器打开。此外，家庭自动化系统还可用来防止窃贼，当系统感应到侵入者时可以向最近的警察局和房主发送警报。 图1：基本的家庭自动化系统 除了算法自动化外，用户可根据个人需要利用直接按键、手机、因特网或红外遥控来控制设备。电器和传感器网络的建立可实现设备间的交互并制定运行决策。 图2：控制单元示例 开发家庭自动化系统时的设计考虑因素： 开发家庭自动化系统时有一些设计挑战和考虑因素。设计人员在设计系统之前应考虑几个关键点，这样可简化设计，降低成本，并最大限度地增强功能。设计家庭自动化系统所涉及的主要考虑因素由用户需求决定。在继续设计工作之前，考虑以下几点有助于为系统选择正确的处理器、传感器和通信协议： 1.接口类型：系统需求是家庭自动化系统设计时最基本和最重要的需求。接口是基本的通信协议与硬件组合，可用于在设备间或者与用户之间发送和接收信息。设计人员在执行设备、用户和整体系统间的通信时有多种选项，因此必须结合系统、范围、房屋大小和易用性等因素做出明智选择。 a.如果用户想通过因特网控制家用电器，设计人员就需要添加一个以太网或Wi-Fi接口将系统连接到家庭网络。 b.如果用户想通过手机中的蓝牙控制系统，设计人员就需要添加一个蓝牙接口与设备通信。 此外，通信接口的选择还取决于中央控制单元 (CCU) 和房间控制单元 (RCU) 之间所使用的拓扑结构。有关这两种单元的更多介绍将在本文后面部分讨论。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 【 系列文章 】 家庭自动化系统设计(2):基于星形拓扑结构的系统架构 家庭自动化系统设计(3):利用片上系统技术实现 2.感应要求：设计人员需注意用户的感应要求，并确定执行任务所需的传感器类型。此外，设计人员还需要评估在不同环境中不同需求和可用性所需要的传感器规范。 传感器类型包括： a.热敏电阻 – 可用于控制空调、冰箱、热水器、供热系统，或火灾情况。 b.湿度传感器 – 感应环境中的湿气等级。 c.气体传感器 – 可用于检测厨房中的气体泄漏。 d.光传感器 – 可用于检测房屋内的光强度。 这些传感器提供的信息（经信号调节后）可被处理器用来制定与电器有关的几个重要决策以及开关电器。 3.安全等级：设计家庭自动化系统的另一个主要要求是保证整个系统的安全。这样，系统就不会被轻易更改，以避免非授权用户控制房屋。系统应当能够阻止大部分类型的入侵行为。即使系统被侵入，也应能够向用户和最近的警察局发送信号。此外，系统还需隐藏主控制板上尽可能多的组件，使控制板对于试图解除它的人来说成为一个黑盒子。系统在与其它设备通信时应能够发送和理解编码数据。这样能防止其他人通过接入系统和相同的接口来非法入侵设备。 4.拓扑结构：拓扑结构定义了家庭自动化控制单元间的交互方式。星形拓扑是使用最多的结构。它利用CCU与所有RCU进行交互并为它们制定决策。所有RCU将从传感器获取的数据发送到CCU，如果CCU发现数据有任何问题，就会送回指令以采取特定行动。 另一个可考虑的结构是网状拓扑。该结构采用相似的控制单元。这些单元相互连接以构成一个控制单元Web。每个单元都可在网络中发送信息，同时信息被所有单元共享。各单元是独立的，而且可依照有关环境的可用信息制定自身决策。 系统拓扑结构的选择决定了选择哪种通信接口，例如ZigBee、RF、蓝牙等。 5.自动化深度：系统设计受需求的影响。这些需求可以简单到根据一天中不同时间来控制房屋内的灯光，也可以复杂到控制所有的电器和安全系统。每种要求都会影响整体设计。开发人员需要确定最优化的方法以最低成本和复杂性执行所有任务。尽管系统内部很复杂，但系统要易于使用，不能给房屋用户的操作带来难度。 6.成本：这是系统设计中最重要的方面，因为系统复杂性和自动化深度决定系统成本。高度复杂和高成本的系统会打消客户购买和在房屋中安装该系统的念头。 系统的成本直接与组件数量、所用接口以及固件和硬件的设计复杂程度有关。在不降低软硬件质量的前提下，应减少系统中组件的数量，以降低总成本和系统尺寸。可利用片上系统 (SoC)与多个外设和一个处理器进行集成，以方便地实现更低的系统成本。 我们在第1部分中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，我们将探讨家庭自动化系统的架构。 关于作者： Rahul Raj Sharma是赛普拉斯半导体公司USB器件业务的应用工程师。他从事PSoC应用的研究，热衷于开发模拟和混合信号设计。他的联系方式是rrsh@cypress.com Tushar Rastogi是赛普拉斯半导体公司的应用工程师。他从2012年开始研究基于PSoC的应用。他的职责包括PSoC固件编程、应用开发、编程方面的客户技术支持以及边界扫描相关问题和技术资料的撰写。他的联系方式是tusr@cypress.com 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 【 系列文章 】 家庭自动化系统设计(2):基于星形拓扑结构的系统架构 家庭自动化系统设计(3):利用片上系统技术实现