關鍵詞： 家庭自動化系統 , 傳感器網絡 , 設計考慮因素

        家庭自動化是指為了用戶的便利自動控制家用電器的過程與技術。這種技術依照嚴格的要求使用設備并防止誤用，從而讓生活變得更加輕松，同時可節省能源。就控制而言，最基本的形式是用遙控器調節燈光明暗，而復雜的則包括在家中組建一個設備網絡，利用主控制器甚至通過手機從世界任意地點對網絡進行編程。
家庭自動化系統涉及的操作包括在達到所需溫度時將空調或冰箱等大型電器關閉一段時間，然后，當溫度越過某個臨界值后再將電器打開。此外，家庭自動化系統還可用來防止竊賊，當系統感應到侵入者時可以向最近的警察局和房主發送警報。

圖1：基本的家庭自動化系統


除了算法自動化外，用戶可根據個人需要利用直接按鍵、手機、因特網或紅外遙控來控制設備。電器和傳感器網絡的建立可實現設備間的交互并制定運行決策。

圖2：控制單元示例


開發家庭自動化系統時的設計考慮因素：
開發家庭自動化系統時有一些設計挑戰和考慮因素。設計人員在設計系統之前應考慮幾個關鍵點，這樣可簡化設計，降低成本，并最大限度地增強功能。設計家庭自動化系統所涉及的主要考慮因素由用戶需求決定。在繼續設計工作之前，考慮以下幾點有助于為系統選擇正確的處理器、傳感器和通信協議：
1.接口類型：系統需求是家庭自動化系統設計時最基本和最重要的需求。接口是基本的通信協議與硬件組合，可用于在設備間或者與用戶之間發送和接收信息。設計人員在執行設備、用戶和整體系統間的通信時有多種選項，因此必須結合系統、范圍、房屋大小和易用性等因素做出明智選擇。
    a.如果用戶想通過因特網控制家用電器，設計人員就需要添加一個以太網或Wi-Fi接口將系統連接到家庭網絡。
    b.如果用戶想通過手機中的藍牙控制系統，設計人員就需要添加一個藍牙接口與設備通信。
此外，通信接口的選擇還取決于中央控制單元 (CCU) 和房間控制單元 (RCU) 之間所使用的拓撲結構。有關這兩種單元的更多介紹將在本文后面部分討論。

【系列文章】
家庭自動化系統設計(2):基于星形拓撲結構的系統架構
家庭自動化系統設計(3):利用片上系統技術實現




       
2.感應要求：設計人員需注意用戶的感應要求，并確定執行任務所需的傳感器類型。此外，設計人員還需要評估在不同環境中不同需求和可用性所需要的傳感器規范。
傳感器類型包括：
  a.熱敏電阻 – 可用于控制空調、冰箱、熱水器、供熱系統，或火災情況。
  b.濕度傳感器 – 感應環境中的濕氣等級。
  c.氣體傳感器 – 可用于檢測廚房中的氣體泄漏。
  d.光傳感器 – 可用于檢測房屋內的光強度。
這些傳感器提供的信息（經信號調節后）可被處理器用來制定與電器有關的幾個重要決策以及開關電器。
3.安全等級：設計家庭自動化系統的另一個主要要求是保證整個系統的安全。這樣，系統就不會被輕易更改，以避免非授權用戶控制房屋。系統應當能夠阻止大部分類型的入侵行為。即使系統被侵入，也應能夠向用戶和最近的警察局發送信號。此外，系統還需隱藏主控制板上盡可能多的組件，使控制板對于試圖解除它的人來說成為一個黑盒子。系統在與其它設備通信時應能夠發送和理解編碼數據。這樣能防止其他人通過接入系統和相同的接口來非法入侵設備。
4.拓撲結構：拓撲結構定義了家庭自動化控制單元間的交互方式。星形拓撲是使用最多的結構。它利用CCU與所有RCU進行交互并為它們制定決策。所有RCU將從傳感器獲取的數據發送到CCU，如果CCU發現數據有任何問題，就會送回指令以采取特定行動。
另一個可考慮的結構是網狀拓撲。該結構采用相似的控制單元。這些單元相互連接以構成一個控制單元Web。每個單元都可在網絡中發送信息，同時信息被所有單元共享。各單元是獨立的，而且可依照有關環境的可用信息制定自身決策。
系統拓撲結構的選擇決定了選擇哪種通信接口，例如ZigBee、RF、藍牙等。
5.自動化深度：系統設計受需求的影響。這些需求可以簡單到根據一天中不同時間來控制房屋內的燈光，也可以復雜到控制所有的電器和安全系統。每種要求都會影響整體設計。開發人員需要確定最優化的方法以最低成本和復雜性執行所有任務。盡管系統內部很復雜，但系統要易于使用，不能給房屋用戶的操作帶來難度。
6.成本：這是系統設計中最重要的方面，因為系統復雜性和自動化深度決定系統成本。高度復雜和高成本的系統會打消客戶購買和在房屋中安裝該系統的念頭。
系統的成本直接與組件數量、所用接口以及固件和硬件的設計復雜程度有關。在不降低軟硬件質量的前提下，應減少系統中組件的數量，以降低總成本和系統尺寸。可利用片上系統 (SoC)與多個外設和一個處理器進行集成，以方便地實現更低的系統成本。
我們在第1部分中介紹了家庭自動化系統設計的一般設計考慮因素。在第2部分，我們將探討家庭自動化系統的架構。


【系列文章】
家庭自動化系統設計(2):基于星形拓撲結構的系統架構
家庭自動化系統設計(3):利用片上系統技術實現