關鍵詞： 家庭自動化系統(tǒng) , 傳感器網(wǎng)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(jié)省能源。就控制而言，最基本的形式是用遙控器調節(jié)燈光明暗，而復雜的則包括在家中組建一個設備網(wǎng)絡，利用主控制器甚至通過手機從世界任意地點對網(wǎng)絡進行編程。
家庭自動化系統(tǒng)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(tǒng)還可用來防止竊賊，當系統(tǒng)感應到侵入者時可以向最近的警察局和房主發(fā)送警報。

圖1：基本的家庭自動化系統(tǒng)


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

圖2：控制單元示例


開發(fā)家庭自動化系統(tǒng)時的設計考慮因素：
開發(fā)家庭自動化系統(tǒng)時有一些設計挑戰(zhàn)和考慮因素。設計人員在設計系統(tǒng)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(tǒng)所涉及的主要考慮因素由用戶需求決定。在繼續(xù)設計工作之前，考慮以下幾點有助于為系統(tǒng)選擇正確的處理器、傳感器和通信協(xié)議：
1.接口類型：系統(tǒng)需求是家庭自動化系統(tǒng)設計時最基本和最重要的需求。接口是基本的通信協(xié)議與硬件組合，可用于在設備間或者與用戶之間發(fā)送和接收信息。設計人員在執(zhí)行設備、用戶和整體系統(tǒng)間的通信時有多種選項，因此必須結合系統(tǒng)、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(wǎng)控制家用電器，設計人員就需要添加一個以太網(wǎng)或Wi-Fi接口將系統(tǒng)連接到家庭網(wǎng)絡。
    b.如果用戶想通過手機中的藍牙控制系統(tǒng)，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(tǒng)設計(2):基于星形拓撲結構的系統(tǒng)架構
家庭自動化系統(tǒng)設計(3):利用片上系統(tǒng)技術實現(xiàn)




       
2.感應要求：設計人員需注意用戶的感應要求，并確定執(zhí)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(huán)境中不同需求和可用性所需要的傳感器規(guī)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(tǒng)，或火災情況。
  b.濕度傳感器 – 感應環(huán)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(jīng)信號調節(jié)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(tǒng)的另一個主要要求是保證整個系統(tǒng)的安全。這樣，系統(tǒng)就不會被輕易更改，以避免非授權用戶控制房屋。系統(tǒng)應當能夠阻止大部分類型的入侵行為。即使系統(tǒng)被侵入，也應能夠向用戶和最近的警察局發(fā)送信號。此外，系統(tǒng)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(tǒng)在與其它設備通信時應能夠發(fā)送和理解編碼數(shù)據(jù)。這樣能防止其他人通過接入系統(tǒng)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(shù)據(jù)發(fā)送到CCU，如果CCU發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)絡中發(fā)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(huán)境的可用信息制定自身決策。
系統(tǒng)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(tǒng)設計受需求的影響。這些需求可以簡單到根據(jù)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(tǒng)。每種要求都會影響整體設計。開發(fā)人員需要確定最優(yōu)化的方法以最低成本和復雜性執(zhí)行所有任務。盡管系統(tǒng)內部很復雜，但系統(tǒng)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(tǒng)設計中最重要的方面，因為系統(tǒng)復雜性和自動化深度決定系統(tǒng)成本。高度復雜和高成本的系統(tǒng)會打消客戶購買和在房屋中安裝該系統(tǒng)的念頭。
系統(tǒng)的成本直接與組件數(shù)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(tǒng)中組件的數(shù)量，以降低總成本和系統(tǒng)尺寸。可利用片上系統(tǒng) (SoC)與多個外設和一個處理器進行集成，以方便地實現(xiàn)更低的系統(tǒng)成本。
我們在第1部分中介紹了家庭自動化系統(tǒng)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(tǒng)的架構。


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