家庭自動化系統設計(2):基于星形拓撲結構的系統架構

在第1部分，我們介紹了家庭自動化系統設計的一般設計考慮因素。在第2部分中，我們將介紹家庭自動化系統的架構。
我們首先從基于星形拓撲結構的家庭自動化系統開始。這類系統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)。
● 基于星形拓撲結構的家庭自動化系統架構



圖1：系統架構


1.中央控制單元：中央控制單元是家庭自動化系統的中央樞紐和大腦。中央控制單元還可執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境條件，并相應地控制房間的燈光和風扇
b.通過GSM或以太網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的電器
c.根據時間控制電器，例如在特定時間自動關閉電視
d.監測電源的當前狀態，并在檢測到電源故障時關閉電器
e.當檢測到入侵行為或者在系統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的電器，具有一套用來感應周圍環境的傳感器。它能根據當前條件確定動作路線。房間控制單元的常見功能包括：
a.使用各種傳感器監測當前環境條件，并將數據傳送給CCU
b.從CCU接收指令，并依據接收到的指令開關電器
c.根據便攜式遠程遙控裝置的輸入控制電器
d.根據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：
● 1.中央控制單元
這是負責監控整個家庭自動化系統的主單元。該單元與各種其它系統模塊連接，以執行所要求的任務。最常見的CCU接口如圖2所示。其中有些接口是可選的，由系統和用戶需求決定是否使用。


圖2：中央控制單元模塊級架構


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的眼睛。它們“觀察”環境，并將發現的內容轉換為很容易由微控制器或系統處理器測量的電量?；镜募彝プ詣踊瘋鞲衅靼囟葌鞲衅?、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據可直接用來控制各種電器并且無需人為干預。例如，太陽落山時自動開啟燈光；半小時內在房屋中未檢測到任何動作時自動關閉空調；或者當系統檢測到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（例如溫度或光強度）的變化轉換為類似的電氣參數（例如電阻或電容）變化。當這些物理量轉換為等效電壓后，微控制器就能識別環境變化。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先處理。此外，AFE還需要針對傳感器讀數校準系統，為系統提供用以識別環境變化的基值。
C.遠程連接：根據使用需要和其它設計考慮因素的要求，用戶可能要對系統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。GSM接口和以太網接口（或二者兼有之）都可用于從遠程位置與系統進行通信。此外，系統也可向用戶發送或“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等串行通信協議與主處理器進行通信。


【系列文章】
家庭自動化系統設計(1):一般設計考慮因素
家庭自動化系統設計(3):利用片上系統技術實現





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生時相互通信。在CCU和RCU之間建立通信的方法有多種，應根據系統成本和拓撲結構來決定，這些方法包括：藍牙、RF收發器和XBEE等。這些接口中的每一種都有利有弊，因此系統設計人員在選擇特定接口之前要考慮全部系統要求。
E.手動控制：在典型的家庭自動化系統中，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控制方法。用戶手動控制需要得到系統的授權，以防止系統被入侵者控制以及防止入侵警報的關閉。
F.實時時鐘(RTC)：家庭自動化系統必須能夠根據時間來控制電器。需要有一個精確的時間源，以便利用時間設置來控制電器。可利用外部RTC保持系統的時間，同時中央控制器能夠對其進行訪問以接收當前時間相關的信息。
G.NFC接口：近場通信(NFC)可用來實現接近通信。該技術在嵌入式應用中快速獲得青睞，用以實現通信和信息共享。此外，在正門可采用該技術，讓房主利用支持NFC 功能的智能手機鎖門和開鎖。
H.電源監控器：任何房屋內都有很多對電壓波動比較敏感的電器設備，它們需要特定范圍內的穩定電源電壓才能按預期工作?？稍谥醒肟刂茊卧獌忍砑佑靡詸z查瞬時電源電壓的電源監控器模塊。該模塊將電源的電壓水平降低到一定級別，使系統能夠利用ADC監控電壓。控制器利用來自該模塊的輸入檢測低電壓、高電壓和電壓波動情況。在極端情況下，該模塊能通知RCU關閉敏感電器以防止損壞。圖3給出了簡單電源監控器電路的實例。該電路能方便地在自動化系統中實現。


圖3：電源監控器電路


在電源監控器電路中，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置傳感器，用以監控各個房間內的電器。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。
RCU屬于輔助單元，負責監控局部環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。這些單元將局部環境條件發送到中央控制單元，并根據CCU的命令控制局部區域內的電器。該單元與系統中的其它模塊連接，以執行所要求的任務。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


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任意電器。這些按鍵在CCU系統出現故障時還可作為應急控制板。
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.繼電器驅動器：繼電器需要約100mA的電流才能激活，因此繼電器驅動器必須具備所需的驅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構的家庭自動化系統的架構。在第3部分中，我們將展示如何利用片上系統技術設計基本的家庭自動化系統。