如何构建智能化住宅

在办公室和住宅中建立“智能”不仅仅是添加互联网连接和Wi-Fi网络。它需要系统级方法来实现自动化，测量和安全性。将所有这些因素结合在一起将有助于提高能源使用效率，并为房主和办公室工作人员提供更大的便利。但是，必须解决许多挑战，尤其是全新功能的开发和集成。

随着供应商和消费者需求的增长，半导体制造商正在构建使智能家居成为现实所必需的解决方案和生态系统。通用微控制器提供性能和可配置性，用于收集和分发实施通过集中决策流程支持的传播控制所需的数据 - 这些功能对于实现可用的潜在奖励至关重要。本文着眼于系统级需求及其解决方法。

是什么让HAN？

HAN或家庭区域网络是用于描述家庭内部和周围任何形式的通信的通用术语。可以说，它已经被使用，因为第一次拨号连接是在家用电脑之间共享并连接到打印机，但随着Wi-Fi的出现和低成本无线接入点（WAP）的出现，它真的得到了应用，通过宽带连接，迅速将家庭网络的概念变为现实。

家庭互联网连接的激增也使新兴的用例如通过联网电视实现点播内容消费，这一趋势对包括DVD租赁在内的传统市场产生了负面影响。但是，变革的潮流不会停止。互联网连接被认为是一种技术，不仅可以连接人，也可以连接对象。

预计数字将不断修订，但人们普遍预计到2020年可能会有超过200亿台连接设备，其中许多设备相对简单，例如智能灯开关，门锁或恒温器。为互联社会提供支柱最终将成为大型服务提供商的领域，但在家庭内部，家庭区域网络内部发生的事情仍然是一个非常开放的市场。鉴于连接设备的范围，在寻找最终解决方案时仍存在一些混乱和竞争并不奇怪;实际上，互操作性和可扩展性将是HAN和智能家居成功的关键。为了适应所需的互操作性水平，平均HAN拓扑结构可能至少包含一个网关（或集中控制单元），并且网关需要提供多种形式的通信，例如ZigBee，Wi- Fi和电力线通信。

智能连接

鉴于其已安装的基础，期望Wi-Fi在智能家居的HAN中发挥关键作用似乎是合理的，但它仍然是一个相对“重”的协议，因此对于许多简单，连接的端点，如智能开关。对于这种应用，像ZigBee和Z-Wave这样的低功耗无线协议更有可能扩散。但是，在某些情况下，可能有必要使用有线替代方案来补充无线连接，而不是安装新的布线，例如用于以太网的CAT5，许多人认为电力线通信（PLC）提供了更好的解决方案。

PLC的主要优点是它使用现有的电力布线进行数据传输，使用强大的协议和调制技术。有几个行业联盟支持PLC用于家庭区域网络和智能家园，例如G3-PLC联盟。为了支持在这个应用领域中使用PLC，瑞萨开发了一款单芯片16位MCU，集成了PLC调制解调器PHY（物理层）和AFE（模拟前端），M16C/6S。

M16C/6S系列中的PHY是来自Yitran的IT800，它采用获得专利的差分代码移位键控（DCSK）调制技术，符合FCC，ARIB和EN50065-1-CENELEC标准。它在标准模式下的数据速率高达7.5 kbit/s（当符合CENELEC Extreme-Robust模式使用时，降至0.625 kbit/s）。由DCSK调制技术提供的本质上不受干扰的影响，PHY还实现了前向短块软解码纠错和特殊同步算法。该部件还由专用数据链路层固件支持。图1显示了典型应用配置中器件的框图。

图1：瑞萨的M16C/6S系列集成了电力线通信（PLC）物理层（PHY）并针对智能家居应用。

智能控制

当然，连接智能家居的重点是它不仅收集有关其环境的信息，还会对该信息采取行动。分布式控制不仅需要自动化管理，还需要远程控制我们的家庭。 Smart Homes的主要“卖点之一”是，它允许房主通过他们的HAN从世界上任何一个连接的位置“拨入”他们的家。这种级别的自动化和远程控制将决定对“智能设备”的需求，实现这一目标的一种方法是将智能改造为供电点，如灯开关和主电源插座。另一种方法是创造一种完全取代其祖先的新一代设备，例如Smart Thermostat。

德州仪器（TI）引用Smart Thermostat作为其基于ARM®Cortex™-A8的Sitara™系列处理器的目标应用，包括AM335x系列。同一设备也可以构成智能网关的基础，提供多种形式的连接。这甚至可以采用智能恒温器应用的形式，如图2所示，其中几种形式的有线和无线连接与许多传感器一起集成，用于提供做出关于何时转动加热的智能决策所需的刺激和/或基于温度，湿度，一天中的时间甚至占用水平的通风系统开/关。这种控制水平还可以依赖于通过HAN连接的其他智能传感器，其也可以基于AM3352处理器。由于这个原因，可能需要高级操作系统，这就处理器子系统带来了自己的需求。 AM3352在这方面表现优异，因为它能够运行Linux，Android和嵌入式Windows CE。

图2：德州仪器（TI）设想的智能恒温器示例，该公司的Sitara AM3352处理器提供核心智能。

智能反馈

使用日常物品（如恒温器）作为智能家居网络不可或缺的一部分的概念将变得司空见惯。使用此类设备创建网状网络的能力将有助于克服由外部元素引起的可能的通信问题，包括建筑物构造和节点之间的物理距离。此外，还预计会出现全新设备以提供新功能，这些功能也可能充当“网关”。一个例子是家用显示器。

意法半导体已经确定了对网关的需求，该网关还可以向房主和远程房主显示有关系统的重要或相关数据。为实现这一目标，预计像家用显示器这样的设备也可以集成HTTP网关，从而有效地使它们成为Web服务器。通过这种方式，他们将能够在互联网上安全地发布系统数据，从而实现远程监控。 ST为其STM32 F2处理器创建了基于评估套件（图3）的家用显示器应用说明。

图3：ST的评估板演示了其STM32 F2处理器用于启用带有HTTP连接的家用显示器。

STM32 F2的一个有趣特性是基于ARM Cortex-M3处理器内核，它是自适应实时内存加速器，当内核运行时，它可以从闪存中实现零等待状态执行。 120 MHz，使其能够实现150 DMIPS的全部潜力。它通过实现指令预取队列和分支缓存来实现这一点，从而提高了128位闪存的程序执行速度。使用加速器实现的性能已经使用CoreMark基准测试，相当于在CPU频率为120 MHz时从闪存执行零等待状态程序。

智能访问

如图所示，智能家居的一个重要元素，至少在最初，将是它能够集成众多点解决方案，可能使用开放标准协议，如ZigBee家庭自动化，或专有但专用的协议，如Z-Wave，进入HAN。如果所有设备都可以无限制地访问网络，那么容纳大量协议可能会很快变得难以管理，因此设想中央“网关”将负责管理之间的链接。 HAN上的节点，公用事业（智能）仪表和互联网。

Smart Gateways将采用多种形式。如上所述，它们可能是HAN的一个组成部分和功能部分，或者它们可能是专用的独立设备。飞思卡尔已经确定了对解决方案的需求，并开发了一种评估套件，采用基于MPC8308和QorIQ P1010处理器的网络智能网关。图4显示了网络智能网关应用中的MPC8308。

图4：飞思卡尔的MPC8308已被证明是构建网络智能网关的基础。

它是可能为互联网提供远程控制/监控的关键链接的网关，因此也将在最高级别负责网络安全。由于家庭可能具有用于不同公用事业的若干智能电表，例如天然气，电力和水，它将落入家庭网关，以可靠且有效地管理家庭网络上的节点与智能电表之间的相互通信。这可能需要共享数据，因此安全性将成为比现在更高的优先级。

结论

随着联网电视和机顶盒的出现，我们已经通过我们的设备欢迎互联网进入我们的家庭，尽管今天主要是单向交通。在不久的将来，只要我们能够访问互联网连接，就能够从任何地方监控我们的房屋变得司空见惯;预计智能手机和3G/4G网络将在这方面发挥重要作用。

提供与家庭连接所需的基础设施已经到位，它现在依赖于安全高效的家庭区域网络的开发，以便完全实现智能家居愿景。