住宅自動化將繼續開闢一個新的創新時代。使用微控制器(MCU)的系統通過節能、智慧、安全、操控直觀且互聯選項豐富的住宅自動化系統為消費者提供幫助。安全與住宅自動化系統領域的最新進展運用尖端的感測、互聯和計算技術。比如奈米級IC技術使原裝置製造商(OEMs)能夠製造經濟、節能的小型解決方案。
住宅自動化幫助控制家庭與辦公室環境中的裝置。早期系統只能用於調節照明、開/關電器和控制溫度。如今，先進的嵌入式系統作為物聯網(IoT)的一部分帶來了智慧電源控制與高級安全功能。通過感測器與處理器的組合，物聯網將各種裝置與中央網路連接，使裝置能夠在沒有任何用戶介入的情況下完成工作。正是因為有了互聯網、Wi-Fi和藍牙，這些系統才能通過智慧手機、平板電腦或計算機輕鬆操作。
住宅自動化基本組成模組
一般的住宅自動化系統需要以下接口(參見圖1)。
中央處理器包含嵌入式計算所需的高性能、低功耗處理器或微控制器。高階微控制器支持多種通訊接口，可連接各種周邊，包括感測器、溫度控制器、家電、娛樂系統、安全警報以及安保系統等。即時作業系統(RTOS)在中央控制器上運行，實施全天候不間斷監控並採取必要的措施。
中央處理器中的微控制器需要連接網路才能與周邊通訊。根據消費者的需求，可以連接有線網路或無線網路。主流的住宅自動化應用使用電力線通訊(PLC)或乙太網進行有線連接，使用ZigBee、射頻或低功耗藍牙進行無線連接。
在住宅自動化系統中，中央處理器與感測器等各種周邊連接，從而測定或檢測溫度、濕度、日光或運動。中央處理器還能打開/關閉致動器和電器，並且能夠連接用戶界面實現遠程控制和顯示系統狀態。早期的用戶界面採用需要觸碰的機械式按鈕。如今的自動化系統使用的是無需接觸的電容式觸控界面。
住宅自動化系統需要使用本地儲存保存感測器數據、用戶偏好以及系統RTOS。用於物聯網應用程序的微控制器帶有內置閃存，但這不足以保存每天產生的大量數據。如果要在MCU中整合更多儲存，則需要增加晶粒的尺寸、增加系統成本並且影響系統性能。大型住宅網路需要一個獨立的空間放置儲存裝置。使用大型服務器作為儲存裝置則會增加運營與維護的成本。開發人員所面臨的挑戰是在儲存容量與運營成本之間作出取捨。
住宅自動化需要使用不同的電源，比如電器需要使用高壓交流電，手持式或可攜式用戶界面則需要使用電池。目前最先進的系統可以從光、振動或射頻傳輸中獲得電能並用於家用電器的供電。根據當前的需求與趨勢，電源也可以加入不同的電源模式而根據常用情況實現低能耗。
MCU/感測器角色重要 住宅自動化系統滿足需求
住宅自動化系統實際上是一個各種周邊所組成的系統。為了滿足用戶需求和支援加值應用程序，需要將諸多設計挑戰與限制考慮在內。
市面上的微控制器有著不同的功耗、速度、計算能力、通用輸入輸出(GPIO)數量以及與各通訊協議和用戶界面的兼容性等性能參數。除了傳統的架構之外，微控制器在過去的10年發生了顯著的變化。如今的微控制器配有多個內核，且具備更大儲存容量、更多外圍裝置和更智慧的功能。微控制器與可編程系統晶片(SoC)架構之間的界線正變得越來越模糊。
在住宅自動化系統框架中，中央處理器需要根據設計的複雜程度配備多個子控制器。子控制器與中央處理器相互作用交互並接受中央處理器的決定。可以使用多種拓撲結構實現這種交互。
星型拓撲結構最常用於所有子控制器與一個中央處理器連接的架構。子控制器將來自感測器的數據發送給中央處理器。中央處理器對訊息進行分析並且向子控制器發送具體的行動要求。根據所收到的命令，各子控制器控制其周邊。在這種拓撲結構中，一個子控制器的故障不會影響其他子控制器的運行。但中央控制器的故障會使整個系統癱瘓。因此，需要全天候運行的複雜系統應採用網狀或網格拓撲結構。在這些拓撲結構中，中央控制器的數量不止一個，而且它們彼此互相連接。流程的去中心化增加了可靠性與運行時的頻寬。這些控制器中的每一個個體都具有同等的智慧和獨立運行的能力。如果有一個控制器發生故障，其他控制器可以接替它以保證運行不被中斷(圖2)。
另一方面，感測器是住宅自動化系統的核心。環境感測器，如溫度感測器、環境光感測器、濕度感測器和氣體感測器等用於採集有關室內環境的數據。中央處理器據此打開/關閉風扇或控制空調，從而保持室溫處在舒適的狀態。中央處理器還可根據用戶偏好和光感測器的數據打開/關閉燈光以及控制燈光的亮度。家用電器通過智慧、直觀的操作節省了電能，使系統變得節能而環保。
除了考慮用戶的便利性之外，該系統還考慮到住宅的安全性。它能通過運動感測器探測任何意外的入侵並且向住戶發出警告。中央處理器還考慮了緊急情況。如果發生電源故障，系統會關閉電器從而防止其損壞。在發生火災或煙霧時，中央處理器會發出警報並且打開灑水器。氣體感測器可用於探測起火或煙霧。
感測器的選擇取決於系統要求和兼容性。如要探測室溫，可以使用不同類型的感測器，包括分立元件(熱敏電阻、電阻式溫度檢測器(RTD)、熱電偶和二極管作為溫度感測器)和整合電路。熱敏電阻、RTD和熱電偶等分立元件需要外部訊號調節電路。開發人員設計訊號調節電路時還需要考慮系統對於分辨率、探測範圍和運行成本的要求。熱電偶是一種能夠根據相對環境溫度產生溫差電壓的有源元件。熱敏電阻和RTD是會根據絕對溫度改變電阻值的無源元件。熱敏電阻分為兩種：正溫度係數(PTC)和負溫度係數(NTC)。表1對這幾種溫度感測器的不同參數進行了比較。
RTD的可重複性與精確度最高。溫度感測器的整合電路包含整合訊號調節電路。大部分整合訊號調節電路通過一個通用(如UART、I2C或SPI)接口傳輸數位格式的處理數據。其他電路傳輸類比格式的電壓或電流數據。帶整合類比數位轉換器(ADC)的微控制器可以處理此類模擬數據並探測溫度(圖3)。
被動式紅外線(PIR)動作感測器可以感知運動並且用於探測是否有人進入或離開感測器範圍。該感測器通過測定一個發熱物體的紅外輻射(IR)，從而探測到人體、動物或者其他物體的運動狀態。PIR感測器一般搭配透鏡使用，透鏡可以將遠程紅外輻射聚焦到感測器表面。作為訊號調節電路一部分的濾波器被用於限制頻段和濾除意外的噪音。
濕度感測器用於探測環境中的水分含量。它們一般依靠於其他一些因濕度而發生變化的參數，如壓力、溫度或數量等。現代感測器可以通過測定電容或電阻的變化測定濕度的變化。電阻濕度感測器的敏感度低於電容濕度感測器，因此較少使用。電容的測定需要用到複雜的訊號調節電路，比如交流電橋等。還可使用測定相位或頻率的方法來測定電容的變化。現在的系統單晶片(SoC)採用先進的電容感測技術直接測定電容。
環境光感測器與接近感測器被廣泛應用住宅自動化系統。環境光感測器主要是光敏元件。在電阻光感測器中，電阻隨光的變化而變化。二極管和晶體管等有源環境光感測器也可用於探測光的變化。大部分接近感測器基於電容式測量，然而，也有一些使用的是電感式測量。
通訊接口
中央控制器需要通過有線或無線連接與家用電器和感測器通訊。有線連接使用乙太網或電力線通訊技術。PLC是利用電力線進行通訊和配電。一般進行數字訊號載波調製(-20~200kHz)並且通過家用電線與電力線訊號一同傳輸。周邊被插入到普通電源插口以建立通訊連接。但電器需要額外的調製解調器解碼接收到的訊息。使用PLC技術的設計師還必需解決擁擠運行環境中的「擴展頻譜」和「無線電干擾」等問題。
通過乙太網，周邊、電器和中央控制器經區域網路(LAN)連接。系統中的每個單元通過使用訊框發送串行數據流。每個訊框包含來源和目的地地址、數據以及錯誤校驗訊息。感測器通過UART、SPI或I2C接口將數據傳輸到子控制器，而子控制器通過乙太網接口將訊息傳輸到中央控制器。
由於解決了線纜和線纜鋪設所帶來的複雜性與成本問題，Wi-Fi、低功耗藍牙和ZigBee等無線技術已非常普及。通過Wi-Fi(IEEE 802.11)可以建立本地無線網路，並且所有外設可以通過2.4GHz或5Ghz頻段連接該網路。Wi-Fi降低了安裝成本並且非常適用於難以鋪設電纜的有限空間內。相比傳統的有線網路，由於無線網路簡化了接入，因此其主要問題在於網路的安全性。在有線網路中，必須直接連接網線才能與網路連接。而在Wi-Fi中，只需要在網路的範圍內即可連接網路。因此，無線網路需要強大的加密與安全策略避免數據安全風險。
ZigBee(IEEE 802.15.4)無線通訊協定可以用於10~100公尺範圍內的低功耗小型網路。ZigBee使用網狀網路通過中間節點發送和接收數據。ZigBee一般用於對通訊速度和安全性較低的低功耗應用，因此適合用於住宅自動化系統(圖4)。
藍牙無線技術適用於遠程感測和監控應用。藍牙主要用於低成本、低功耗的無線網路。其中，中央處理器作為主裝置發起與其他作為從屬裝置的周邊的對話。在特定的時間點，只有一台從屬裝置可以進行廣播和與主機通訊。藍牙適合用於用戶接口。用戶可以遠程訪問控制系統並且發送輸入指令。
力推節能/安全效能 住宅自動化下一步行動
當前的住宅自動化趨勢是推動節能、安全的解決方案。隨著用戶的增加及其要求的增多，設計師正面臨著如何使系統能夠防止各種入侵的嚴峻挑戰。同時，他們還需要降低功耗和成本。基於智慧卡與一次性授權(OTP)的安全訪問技術目前正在被引入住宅自動化系統，而更先進的生物識別感測器，如指紋和視網膜掃描器等也正在被逐步用於訪問授權。
除了提高安全性之外，原始裝置製造商正在為系統尋找其他產生電能的來源。新推出的能量採集裝置可以從振動、體溫、太陽光和射頻傳輸中生成電能。超高效率的住宅自動化系統需要結合先進的節能家電，以及帶有商業可再生能源系統的裝置，如太陽能熱水器和太陽能發電器等。但這些功能的成本較高，而且原始裝置製造商需要基於用戶需求對此進行權衡。
乍看之下，住宅自動化系統似乎複雜而昂貴。但引入智慧化家電所帶來的諸多益處可以抵消這些成本。隨著技術的進步，真正的自動化系統能夠在不與使用者發生直接互動的情況下，知道使用者的身份、所在的位置和需求，在使用者走進房間時打開燈光和電扇，當使用者離開住宅時調節溫度，並且在發生各種緊急情況時發出警報。這些直觀的智慧化操控方法可以節省大量電能，並且帶來更高的便利性。此外，住宅的安保與安全也被考慮在內。
憑藉今天的技術，實現住宅自動化不再是一項遙不可及的工作。可編程系統晶片的上市加快了住宅自動化系統的實現。高度整合的微控制器可以靈活兼容各種能力，包括ADC、模擬OPAMP、閃存和數字通訊接口(UART/SPI/I2C)。許多微控制器還支持藍牙晶片技術，這進一步降低了系統複雜性與開發成本。
(本文作者皆任職於賽普拉斯半導體)