家庭自動化系統(tǒng)設(shè)計(2):基于星形拓撲結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)架構(gòu)

在第1部分，我們介紹了家庭自動化系統(tǒng)設(shè)計的一般設(shè)計考慮因素。在第2部分中，我們將介紹家庭自動化系統(tǒng)的架構(gòu)。
我們首先從基于星形拓撲結(jié)構(gòu)的家庭自動化系統(tǒng)開始。這類系統(tǒng)主要包括兩類控制單元：1個中央控制單元(CCU)和多個房間控制單元(RCU)。
● 基于星形拓撲結(jié)構(gòu)的家庭自動化系統(tǒng)架構(gòu)



圖1：系統(tǒng)架構(gòu)


1.中央控制單元：中央控制單元是家庭自動化系統(tǒng)的中央樞紐和大腦。中央控制單元還可執(zhí)行房間控制單元的功能。中央控制單元的常見功能包括：
a.使用各種傳感器測量當前的環(huán)境條件，并相應(yīng)地控制房間的燈光和風扇
b.通過GSM或以太網(wǎng)接收遠程用戶的指令，并依照接收到的指令控制特定房間內(nèi)的電器
c.根據(jù)時間控制電器，例如在特定時間自動關(guān)閉電視
d.監(jiān)測電源的當前狀態(tài)，并在檢測到電源故障時關(guān)閉電器
e.當檢測到入侵行為或者在系統(tǒng)中檢測到故障時通知遠程用戶
2.房間控制單元：房間控制單元控制特定房間內(nèi)的電器，具有一套用來感應(yīng)周圍環(huán)境的傳感器。它能根據(jù)當前條件確定動作路線。房間控制單元的常見功能包括：
a.使用各種傳感器監(jiān)測當前環(huán)境條件，并將數(shù)據(jù)傳送給CCU
b.從CCU接收指令，并依據(jù)接收到的指令開關(guān)電器
c.根據(jù)便攜式遠程遙控裝置的輸入控制電器
d.根據(jù)用戶按鍵的輸入控制電器
讓我們分別了解一下這兩種單元的架構(gòu)：
● 1.中央控制單元
這是負責監(jiān)控整個家庭自動化系統(tǒng)的主單元。該單元與各種其它系統(tǒng)模塊連接，以執(zhí)行所要求的任務(wù)。最常見的CCU接口如圖2所示。其中有些接口是可選的，由系統(tǒng)和用戶需求決定是否使用。


圖2：中央控制單元模塊級架構(gòu)


典型中央控制單元中包含的模塊有：
A.傳感器：傳感器是家庭自動化系統(tǒng)的眼睛。它們“觀察”環(huán)境，并將發(fā)現(xiàn)的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為很容易由微控制器或系統(tǒng)處理器測量的電量?；镜募彝プ詣踊瘋鞲衅靼囟葌鞲衅鳌?strong>濕度傳感器、光傳感器、氣體傳感器等。這些傳感器提供的信號形式的數(shù)據(jù)可直接用來控制各種電器并且無需人為干預(yù)。例如，太陽落山時自動開啟燈光；半小時內(nèi)在房屋中未檢測到任何動作時自動關(guān)閉空調(diào)；或者當系統(tǒng)檢測到LPG泄露事件時響起警報。
B.模擬前端(AFE)：每個傳感器都將物理參數(shù)（例如溫度或光強度）的變化轉(zhuǎn)換為類似的電氣參數(shù)（例如電阻或電容）變化。當這些物理量轉(zhuǎn)換為等效電壓后，微控制器就能識別環(huán)境變化。因此，需要將模擬前端(AFE)連接到模擬傳感器。AFE通過濾除信號噪聲并提供所需的信號增益，從而對傳感器的輸出信號進行預(yù)先處理。此外，AFE還需要針對傳感器讀數(shù)校準系統(tǒng)，為系統(tǒng)提供用以識別環(huán)境變化的基值。
C.遠程連接：根據(jù)使用需要和其它設(shè)計考慮因素的要求，用戶可能要對系統(tǒng)和電器實行遠程控制。兩種最常見的方法是使用GSM移動電話和因特網(wǎng)。GSM接口和以太網(wǎng)接口（或二者兼有之）都可用于從遠程位置與系統(tǒng)進行通信。此外，系統(tǒng)也可向用戶發(fā)送或“推入”有用的信息，例如定期升級、故障或入侵等。這些連接選項通常采用SPI或I2C等串行通信協(xié)議與主處理器進行通信。


【系列文章】
家庭自動化系統(tǒng)設(shè)計(1):一般設(shè)計考慮因素
家庭自動化系統(tǒng)設(shè)計(3):利用片上系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)





D.本地連接：中央控制單元和房間控制單元需要定期以及在事件發(fā)生時相互通信。在CCU和RCU之間建立通信的方法有多種，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)成本和拓撲結(jié)構(gòu)來決定，這些方法包括：藍牙、RF收發(fā)器和XBEE等。這些接口中的每一種都有利有弊，因此系統(tǒng)設(shè)計人員在選擇特定接口之前要考慮全部系統(tǒng)要求。
E.手動控制：在典型的家庭自動化系統(tǒng)中，用戶有時需要手動控制一個或多個電器。鍵盤和/或紅外遙控器是為用戶提供的最常見的系統(tǒng)控制方法。用戶手動控制需要得到系統(tǒng)的授權(quán)，以防止系統(tǒng)被入侵者控制以及防止入侵警報的關(guān)閉。
F.實時時鐘(RTC)：家庭自動化系統(tǒng)必須能夠根據(jù)時間來控制電器。需要有一個精確的時間源，以便利用時間設(shè)置來控制電器?？衫猛獠縍TC保持系統(tǒng)的時間，同時中央控制器能夠?qū)ζ溥M行訪問以接收當前時間相關(guān)的信息。
G.NFC接口：近場通信(NFC)可用來實現(xiàn)接近通信。該技術(shù)在嵌入式應(yīng)用中快速獲得青睞，用以實現(xiàn)通信和信息共享。此外，在正門可采用該技術(shù)，讓房主利用支持NFC 功能的智能手機鎖門和開鎖。
H.電源監(jiān)控器：任何房屋內(nèi)都有很多對電壓波動比較敏感的電器設(shè)備，它們需要特定范圍內(nèi)的穩(wěn)定電源電壓才能按預(yù)期工作?？稍谥醒肟刂茊卧獌?nèi)添加用以檢查瞬時電源電壓的電源監(jiān)控器模塊。該模塊將電源的電壓水平降低到一定級別，使系統(tǒng)能夠利用ADC監(jiān)控電壓?？刂破骼脕碜栽撃K的輸入檢測低電壓、高電壓和電壓波動情況。在極端情況下，該模塊能通知RCU關(guān)閉敏感電器以防止損壞。圖3給出了簡單電源監(jiān)控器電路的實例。該電路能方便地在自動化系統(tǒng)中實現(xiàn)。


圖3：電源監(jiān)控器電路


在電源監(jiān)控器電路中，分壓器電路將電源電壓降到能夠用微控制器ADC安全測量的較低電壓水平。峰值檢測器電路為降低后電壓設(shè)定一個可測量的范圍。保護二極管將最大電壓限制為齊納電壓 (Vz)，以保護微控制器。
● 2.房間控制單元 (RCU)
房間控制單元（下圖所示）負責控制特定房間內(nèi)安裝的電器。該單元接收來自中央控制單元的控制命令，也接收能夠直接控制電器的用戶按鍵的命令。此外，房間控制單元還配有各種類型的內(nèi)置傳感器，用以監(jiān)控各個房間內(nèi)的電器。如果RCU具有IrDA接口，用戶就能利用紅外遙控器控制電器。如果局部通信方式是藍牙，那么用戶就可利用智能手機控制系統(tǒng)。
RCU屬于輔助單元，負責監(jiān)控局部環(huán)境條件并控制連接到該單元的局部電器。RCU對于有多個房間的大房子來說非常重要。這些單元將局部環(huán)境條件發(fā)送到中央控制單元，并根據(jù)CCU的命令控制局部區(qū)域內(nèi)的電器。該單元與系統(tǒng)中的其它模塊連接，以執(zhí)行所要求的任務(wù)。圖4給出了RCU的模塊級方框圖和描述。



圖4：房間控制單元的模塊級架構(gòu)


A.按鍵：這些按鍵可用來直接控制電器，使用戶能利用配電盤直接開關(guān)任意電器。這些按鍵在CCU系統(tǒng)出現(xiàn)故障時還可作為應(yīng)急控制板。
B.紅外傳感器&解碼器：這些模塊為常用的便攜式紅外遙控器提供接口。
C.繼電器驅(qū)動器：繼電器需要約100mA的電流才能激活，因此繼電器驅(qū)動器必須具備所需的驅(qū)動能力才能啟動繼電器。此外，它們還能保護控制器免受繼電器產(chǎn)生的電感性沖擊的破壞。
在第2部分中，我們介紹了基于星形拓撲結(jié)構(gòu)的家庭自動化系統(tǒng)的架構(gòu)。在第3部分中，我們將展示如何利用片上系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計基本的家庭自動化系統(tǒng)。