智能家居系统
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作者: 赛普拉斯半导体公司供稿
智能家居设备新兴市场正鼓励应用工程师考虑这样的方案，将多项功能整合集成到一个系统中。通过其创新的理念和高瞻远瞩的思想，他们正努力设计出非常高效和可靠的系统。这些系统不仅可以使用户远程访问家电并自动处理日常家务，并且还用最低数量芯片考虑到了安全问题。
传感器
运动传感器
人会产生红外辐射。在正常的体温下，人类在红外区域会有强烈辐射，波长为9.4μm。热电传感器是由陶瓷材料构成，暴露在红外辐射下其表面会产生电荷。这个属性可以用于运动检测。PIR传感器还可以从振动、无线电干扰、阳光等触发错误检测。为了避免这种双传感器连接的相位差，共同连接到这两个传感器的任何激励相互抵消了。当身体经过传感器前面时，它激发第一个传感器，然后第二个。于是有一个变化标志身体从传感器一侧移动到另一侧的差分输出。这一变化标志也可以用来检测运动，可用于人员检测，增加一个滤波窗口可以限制8～14μm范围的外来辐射，这是对人体辐射最敏感的范围。为了提高传感器的范围和探测角度，使用了菲涅耳透镜。它把到来的红外辐射集中到传感器。菲涅耳透镜孔径较大并且焦距较短。图3说明了PIR传感器的接口电路。
PIR传感器可用于以下用途：控制走廊光或其他任何不需要持续发光的区域从而节约用电：通过监测PIR传感器内两个感应区域之间的差分输出来指导感应。
门传感器
门传感器可以使用电容式感应实现，可以检测板间两块金属极电容的变化并转化为计数、可以从这些计数值检测到门的打开和关闭。
可以在门顶端部分附加一个小金属板，电容感应芯片可以安装在靠近门的墙上。当门关上时，由于金属靠近电容将增加。使用这种方法，我们甚至可以检测到非常轻微的开门。
另一种检测门是否打开或关闭的方法是使用磁簧开关。磁簧开关有两个密封在玻璃内的金属簧片。可以由一个磁簧开关、微控制器和RF模块构成一个完整的无线模块。门后钻一个洞，这个完整的模块插在里面。在门上放置一块磁铁，可以靠近传感器。根据接近传感器和磁体的接近程度，检测门的位置。
玻璃破碎传感器
这种传感器是用来侦测任何通过窗户的入侵。有多种玻璃破碎传感器，他们的工作原理也不同，可以基于成本和需求进行选择。基本传感器安装在玻璃本身，他们通常有一个麦克风，其监控来自玻璃的噪声与振动。如振动超过固定阈值，这些传感器触发输出。一些传感器可以调试到玻璃破碎频率，使用复杂的运算法则可以从多块玻璃中找到那块破碎的。通过声音和震动并行处理，也可以精确检测到玻璃打破的时间。
光感应传感器
这种传感器可以用来根据环境控制走廊灯光强度。可以使用一个LDR测量环境光。LDR是一种光敏电阻，其电阻会根据入射光的变化而变化。在图6的电路中，ADC输入电压会根据入射光而变化，经过处理后，走廊灯的光强度可以改变。如果是LED灯，可以采用LED驱动芯片控制，如果是白炽灯，其强度可以通过改变晶体管的点弧角来控制。通常使用内嵌FET或内嵌FET控制器的片上系统来控制LED灯。限制在绿色实现区域可由PPSoC实现，它是一种由赛普拉斯生产的内嵌FET的LED控制芯片。
湿度传感器
湿度传感器可以用来控制花园浇水装置。他们可以固定在土壤中，在设定的时间内可以基于土壤的水位打开洒水装置。这既可以节约用水又可确保植物及时浇水。
温度／烟雾传感器
温度传感器可以用于当温度上升超过某一特定值时打开风扇，也可以用于控制风扇强度。锅炉的烧水时间也可以通过外部温度动态控制。
烟雾传感器用于在早期阶段检测火灾，可以安装在靠近厨房等任何容易起火的区域。检测到烟火时，它会触发报警并打开洒水装置。
在紧急情况下，例如短路、火灾等，安全出口方向道路上的灯光可以使用备用电池点亮。
窗户传感器
Reed传感器可以安装在一扇窗，磁铁安装在另一扇。电路类似于玻璃传感器。为了具有隐藏性，防止传感器被外界破坏，小型激光光源可以安装在一面而光电二极管安装在另一方面，如果有人试图闯入，光线将被中断，会对这个事件触发报警。
在智能家居方面还有很多其他种类的传感器非常有用，如气体传感器、水位传感器、红外传感器等。这些传感器接口简单，我们留给读者来研究并应用于家庭。传感器之间的通讯
不同传感器和处理单元之间的恰当信道保证了信号在房子内的正确通讯。连接传感器有不同的媒介，有线和无线，他们都有利有弊。最好的方法是根据需要来权衡，诸如传感器距离，成本和便于使用等方面。
电力线通讯(PLC)
电力线通讯(PLC)是利用家中已有的输电线路实现数据传输的通讯方式，能减少布线工作和成本。数据可以在交流或直流线路传输。要传送的数据使用频移键控，经过高频信号调制，然后耦合到现有电力线。市场上已经有专门的芯片，负责在器件本身调制。外部电路用于放大收发的数据。要耦合调制数据到现有的电力线路就需要变压器。用户使用CENELEC协议，125-140KHz的频率用于调制。cENELEC协议保证了在一个时间只能有一个设备通信，从而提高了可靠性。用于PLC的芯片遵循这个协议，数据可以很容易通过电力线传输。
PLC设备可以和其他设备安装在家里的不同地点。电子设备可直接通过接口电路与PLC器件连接。
蓝牙与PLC
智能手机或手提电脑可以作为十个通用遥控器控制家里所有的设备，所需要的就是一个蓝牙模块连接到PLC设备。蓝牙发送信号使用AT命令，一旦手机或电脑与这个调制解调器同步，那么无论从手机感应到什么数据，蓝牙调制解调器都会收到。接下来蓝牙调制解调器会把信号传送到PLC设备。PLC设备将进行数据解码并根据命令通过电力线传送。家里所有连接的PLC设备都会收到那些信号，其中一个是目的地，它将对信号进行解码并给出相应的输出信号。电子设备可以通过继电器或晶体管与PLC设备连接，这取决于设备类型。
用户控制
控制必须直观和方便，这样用户可以在任何时间用最少的遥控数目进行控制。
通过手机 我们可以使用手机通过发送消息或拨打号码来控制电器和按下按钮(DTMF音调)。从手机发送短信就能激活／关闭任何特定的设备。短信发送和接收必需用到GSM调制解调器、GSM调制解调器执行AT指令。AT指令是一套预定义的指令，GSMN制解调器可以识别。GsM调制解调器可以通过UART和微控制器连接，来自和去往GSM调制解调器的AT指令在微控制器中编码／解码，因此功能可以实现。另一种方式是使用手机应用程
序GuI在后端发送短信，这样用户可以很容易地操作电器。如果在家里面手机应用程序会选择蓝牙，在外面的话可以通过GSM通信。
DTMF音调
DTMF代表双音多频。手机的每个按钮对应唯一的频率，这些音调可以使用DTMF解码芯片解码，或者内嵌在一种先进的片上系统芯片。可以在单片机内定义不同的功能，根据DTMF音调输入可以触发相应的功能。使用DTMF音调任何手机都可以用来控制家居，甚至固定电话线也可以作相同的用途。用户可以发送DTMF音调或拨打家庭固定的SIM卡号码，或通过蓝牙发送音调。甚至一个笔记本也可使用蓝牙来发送DTMF音调。图11为DTMF音调处理框图。
通过互联网
可以为用户登录创造一个安全的网站。登入网站后，它将给用户显示一个GUI，这个界面会根据家中电器的不同而不同。用户可以打开／关闭或控制电器其他方面。用户已经选择了的任何选项都将储存在GuI中，并立刻将此信息发送到短信网关，短信网关会回发短信到连接在GSM调制解调器的用户SIM。GSM调制解调器将解码这条信息并把它送到控制器，控制器会进行相应工作。
反馈
如果我们使用移动电话／互联网控制电器，得到确认是非常重要的。这有许多原因，有可能某些设备没有工作，例如没有供电，电器故障等。所以当我们打开设备时，继电器可以使用备用电池开机，但电器还将继续保持关的状态。
电流互感器可以用作得到反馈的一个方法。每当任何电器打开时，电流将会从线中开始流到连接的那台设备。可以感应到电流来监控设备的状态。一些语音命令例如开、关等可以存储在能够储存声音的芯片中，这声音可以通过手机传送，把声音输出连接到麦克风线路。
安全措施
为提高家居安全，除了先前已经讨论过的传感器，还可以添加如下设备。
1.门上相机，每当探测到有人时，其会拍照并存储，照相机可使用PIR传感器触发。
2.同样的、家里面的相机也可以打开并通过电子邮件发送实时照片，这样家里没人时可以检测有无人员闯入。
3.安全钥匙。使用指纹扫描／人脸识别。
4.电子锁或双安全门。
不同模式
只需一次触摸，整个家就可以根据不同需求设置为不同的模式，包括家庭影院模式、出门模式、度假模式、夜间模式、白天模式等。
使用片上系统实现
当这些功能变成实际的硬件实现时，片上系统是最好的实现方式，这是由于其系统尺寸小、产品开发周期短。片上系统在一个芯片上集成了可配置的模拟和数字外设(例如运放，ADC，滤波器，DAC等)，存储器和单片机，可与不同类型的传感器连接。它使得设计简单，更快实现最终产品并降低BOM。
一些先进的PLC器件也具备片上系统(如赛普拉斯的PLC器件)，使用这种PLC可以确保不需要其他微控制器来处理电力线收到的信号解码。图14所示为PSoC3中的一些传感器接口，同样可以用于任何其他传感器，外部需要连接被动元件。
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