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家庭自動(dòng)化是指為了用戶(hù)的便利自動(dòng)控制家用電器的過(guò)程與技術(shù)。這種技術(shù)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(shí)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(gè)設備網(wǎng)絡(luò )，利用主控制器甚至通過(guò)手機從世界任意地點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行編程。 家庭自動(dòng)化系統涉及的操作包括在達到所需溫度時(shí)將空調或冰箱等大型電器關(guān)閉一段時(shí)間，然后，當溫度越過(guò)某個(gè)臨界值后再將電器打開(kāi)。此外，家庭自動(dòng)化系統還可用來(lái)防止竊賊，當系統感應到侵入者時(shí)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(dòng)化系統 除了算法自動(dòng)化外，用戶(hù)可根據個(gè)人需要利用直接按鍵、手機、因特網(wǎng)或紅外遙控來(lái)控制設備。電器和傳感器網(wǎng)絡(luò )的建立可實(shí)現設備間的交互并制定運行決策。 圖2：控制單元示例 開(kāi)發(fā)家庭自動(dòng)化系統時(shí)的設計考慮因素： 開(kāi)發(fā)家庭自動(dòng)化系統時(shí)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(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，這樣可簡(jiǎn)化設計，降低成本，并最大限度地增強功能。設計家庭自動(dòng)化系統所涉及的主要考慮因素由用戶(hù)需求決定。在繼續設計工作之前，考慮以下幾點(diǎn)有助于為系統選擇正確的處理器、傳感器和通信協(xié)議： 1.接口類(lèi)型：系統需求是家庭自動(dòng)化系統設計時(shí)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(hù)之間發(fā)送和接收信息。設計人員在執行設備、用戶(hù)和整體系統間的通信時(shí)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(hù)想通過(guò)因特網(wǎng)控制家用電器，設計人員就需要添加一個(gè)以太網(wǎng)或Wi-Fi接口將系統連接到家庭網(wǎng)絡(luò )。 b.如果用戶(hù)想通過(guò)手機中的藍牙控制系統，設計人員就需要添加一個(gè)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(guān)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(dòng)化系統設計(2):基于星形拓撲結構的系統架構 家庭自動(dòng)化系統設計(3):利用片上系統技術(shù)實(shí)現 2.感應要求：設計人員需注意用戶(hù)的感應要求，并確定執行任務(wù)所需的傳感器類(lèi)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范。 傳感器類(lèi)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(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)信號調節后）可被處理器用來(lái)制定與電器有關(guān)的幾個(gè)重要決策以及開(kāi)關(guān)電器。 3.安全等級：設計家庭自動(dòng)化系統的另一個(gè)主要要求是保證整個(gè)系統的安全。這樣，系統就不會(huì )被輕易更改，以避免非授權用戶(hù)控制房屋。系統應當能夠阻止大部分類(lèi)型的入侵行為。即使系統被侵入，也應能夠向用戶(hù)和最近的警察局發(fā)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(lái)說(shuō)成為一個(gè)黑盒子。系統在與其它設備通信時(shí)應能夠發(fā)送和理解編碼數據。這樣能防止其他人通過(guò)接入系統和相同的接口來(lái)非法入侵設備。 4.拓撲結構：拓撲結構定義了家庭自動(dòng)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(jìn)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(fā)送到CCU，如果CCU發(fā)現數據有任何問(wèn)題，就會(huì )送回指令以采取特定行動(dòng)。 另一個(gè)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(gè)控制單元Web。每個(gè)單元都可在網(wǎng)絡(luò )中發(fā)送信息，同時(shí)信息被所有單元共享。各單元是獨立的，而且可依照有關(guān)環(huán)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(dòng)化深度：系統設計受需求的影響。這些需求可以簡(jiǎn)單到根據一天中不同時(shí)間來(lái)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(huì )影響整體設計。開(kāi)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行所有任務(wù)。盡管系統內部很復雜，但系統要易于使用，不能給房屋用戶(hù)的操作帶來(lái)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(dòng)化深度決定系統成本。高度復雜和高成本的系統會(huì )打消客戶(hù)購買(mǎi)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(guān)。在不降低軟硬件質(zhì)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�？衫闷舷到y (SoC)與多個(gè)外設和一個(gè)處理器進(jìn)行集成，以方便地實(shí)現更低的系統成本。 我們在第1部分中介紹了家庭自動(dòng)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(dòng)化系統的架構。 【系列文章】 家庭自動(dòng)化系統設計(2):基于星形拓撲結構的系統架構 家庭自動(dòng)化系統設計(3):利用片上系統技術(shù)實(shí)現 |
