家庭自动化系统设计(2):基于星形拓扑结构的系统架构

520503

关键字：家庭自动化系统   星形拓扑结构   控制系统  
在第1部分，我们介绍了家庭自动化系统设计的一般设计考虑因素。在第2部分中，我们将介绍家庭自动化系统的架构。
我们首先从基于星形拓扑结构的家庭自动化系统开始。这类系统主要包括两类控制单元：1个中央控制单元(CCU)和多个房间控制单元(RCU)。

● 基于星形拓扑结构的家庭自动化系统架构



图1：系统架构



1.中央控制单元：中央控制单元是家庭自动化系统的中央枢纽和大脑。中央控制单元还可执行房间控制单元的功能。中央控制单元的常见功能包括：
a.使用各种传感器测量当前的环境条件，并相应地控制房间的灯光和风扇
b.通过GSM或以太网接收远程用户的指令，并依照接收到的指令控制特定房间内的电器
c.根据时间控制电器，例如在特定时间自动关闭电视
d.监测电源的当前状态，并在检测到电源故障时关闭电器
e.当检测到入侵行为或者在系统中检测到故障时通知远程用户

2.房间控制单元：房间控制单元控制特定房间内的电器，具有一套用来感应周围环境的传感器。它能根据当前条件确定动作路线。房间控制单元的常见功能包括：
a.使用各种传感器监测当前环境条件，并将数据传送给CCU
b.从CCU接收指令，并依据接收到的指令开关电器
c.根据便携式远程遥控装置的输入控制电器
d.根据用户按键的输入控制电器
让我们分别了解一下这两种单元的架构：

● 1.中央控制单元

这是负责监控整个家庭自动化系统的主单元。该单元与各种其它系统模块连接，以执行所要求的任务。最常见的CCU接口如图2所示。其中有些接口是可选的，由系统和用户需求决定是否使用。



图2：中央控制单元模块级架构



典型中央控制单元中包含的模块有：

A.传感器：传感器是家庭自动化系统的眼睛。它们“观察”环境，并将发现的内容转换为很容易由微控制器或系统处理器测量的电量。基本的家庭自动化传感器包括温度传感器、湿度传感器、光传感器、气体传感器等。这些传感器提供的信号形式的数据可直接用来控制各种电器并且无需人为干预。例如，太阳落山时自动开启灯光；半小时内在房屋中未检测到任何动作时自动关闭空调；或者当系统检测到LPG泄露事件时响起警报。

B.模拟前端 (AFE)：每个传感器都将物理参数（例如温度或光强度）的变化转换为类似的电气参数（例如电阻或电容）变化。当这些物理量转换为等效电压后，微控制器就能识别环境变化。因此，需要将模拟前端(AFE)连接到模拟传感器。AFE通过滤除信号噪声并提供所需的信号增益，从而对传感器的输出信号进行预先处理。此外，AFE还需要针对传感器读数校准系统，为系统提供用以识别环境变化的基值。

C.远程连接：根据使用需要和其它设计考虑因素的要求，用户可能要对系统和电器实行远程控制。两种最常见的方法是使用GSM移动电话和因特网。GSM接口和以太网接口（或二者兼有之）都可用于从远程位置与系统进行通信。此外，系统也可向用户发送或“推入”有用的信息，例如定期升级、故障或入侵等。这些连接选项通常采用SPI或I2C等串行通信协议与主处理器进行通信。