家庭自动化系统设计(1):一般设计考虑因素

关键词： 家庭自动化系统 , 传感器网络 , 设计考虑因素

        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。

【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。


【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