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精进品质的智慧住宅策略 实现智能化家居控制
有效管理和控制

【作者: 王岫晨】2024年01月24日 星期三

浏览人次:【1226】


智慧住宅(Smart Home)是指利用先进的科技和自动化技术,将家居环境中的各种设备、系统和设施互联网联系,以提高生活品质、安全性、节能效益和便利性的居住空间。这些智慧化的家居系统通常能够通过网路连接,使家居设备能够互相通讯、自动调节并根据使用者的需求进行智能化操作。


智慧住宅可以透过感应器、微控制器和智能设备,使家居系统能够自动执行各种任务,如自动开启照明、调节室内温度、控制家庭安全系统等。居住者可以利用智能手机、平板电脑或电脑远程监控和控制家中的设备,无论他们身在何处。


智慧住宅也能够有效管理和控制家庭能源的使用,包括照明、冷暖空调、家电等,以提高能源效益。安全监控系统包括门窗感应器、监视摄像头、智能门锁等,能用来提高家庭的安全性。而整合家庭娱乐设备,如音响、影音系统,并透过智能控制可以实现更便捷的娱乐体验。一些智慧住宅系统还可以整合健康和医疗监测设备,用於监测居民的健康状态。


自动控制的实现

在智慧家居的应用中,MCU与感测器整合是实现自动化、监控和智能控制的关键。首先,根据应用需求选择适当的感测器。感测器可以包括温度感测器、光感测器、运动感测器、红外线感测器、声音感测器等。选择的感测器应能够满足特定的智慧家居需求,例如节能、安全、自动化等。


MCU应具备感测器通信的连接介面。这可能包括I2C、SPI、UART等通讯协定,以便MCU能够读取感测器的数据。而MCU也负责接收感测器的数据,进行必要的数据处理和分析。这可能包括滤波、校正、识别特定事件等处理步骤,以确保得到可靠和准确的资讯。


透过感测器提供的数据,MCU可以进行决策并控制相应的家居设备或系统。例如,如果温度感测器检测到温度升高,MCU可以触发空调系统,实现自动调温。MCU也可以透过无线通讯(例如Wi-Fi、蓝牙、Zigbee)或有线通讯将感测器数据传输到其他智能设备或云端平台,实现智能家居系统的整合和远程监控。


当然,考量到智慧家居设备通常需要长时间运行,MCU也必须具备低功耗特性,以确保长时间运行和节省能源。另外,开发相应的应用软体,例如驱动感测器、数据处理演算法、决策逻辑和通讯协议等,也有助於智慧家居应用的扩展。而智慧家居应用可能涉及用户的数据和隐私,因此MCU也必须实现安全性和隐私保护机制。


满足ESG标准的智慧住宅

ESG代表环境(Environmental)、社会(Social)、和管理(Governance),是一种评估企业和投资项目综合性可持续性的方法。智慧住宅可以在以下方面满足ESG标准:


●环境(Environmental):智慧住宅系统可以有效管理和控制能源使用,包括照明、冷暖空调、家电等,以提高能源效益,减少碳足迹。整合智慧系统和水资源管理,以最小化水的浪费,符合环境可持续性的原则。


●社会(Social):智慧住宅系统提供安全监控、紧急通知、以及健康监测功能,有助於保障居民的安全和健康。某些智慧住宅技术能够提供辅助功能,以支援老年人和残障人士,确保居住空间的通达性。


●管理(Governance):智慧住宅系统需要有高度的数据隐私保护和安全标准,确保数据不被滥用并防止未经授权的访问。提供居民有关系统运作和数据使用的透明度,确保良好的居家管理。



图一 : 居住者可以远程控制智慧家居设备,无论他们身在何处。
图一 : 居住者可以远程控制智慧家居设备,无论他们身在何处。

精进品质的感测元件

不同类型的感测器在智慧宅中发挥着各种不同的作用,用於监测、检测和控制各种环境和设备。以下是一些常见的感测器类型及其在智慧宅中的具体应用:


●温度感测器:用於监测室内和室外温度,以调节暖通空调系统,实现节能和舒适的环境。


●光感测器:用於感知照明水平,以自动调整室内灯光,实现节能和提高用户舒适度。


●运动感测器:用於侦测室内和室外的运动,可以用於安全监控系统,智能门窗的自动开关,以及对进入区域的通知。


●烟雾感测器:用於检测室内的烟雾和有毒气体,以提供早期的火灾警报和保障家庭安全。


●门窗感测器:用於监控门窗的开启和关闭状态,可与智能安全系统结合,提供入侵检测功能。


●水浸感测器:用於检测水浸,例如漏水情况,以预防水损并提供早期警报。


●振动感测器:用於监测设备或建筑的振动,可用於监控结构安全,也可应用於防盗系统。


●CO2感测器:用於监测室内二氧化碳水平,以实现室内空气质量的监控和自动通风控制。


●声音感测器:用於检测室内声音变化,可应用於安防系统、智能家居助手等。


●距离感测器:用於测量物体与感测器之间的距离,可应用於自动门禁、无人机避障等场景。


●红外线(IR)感测器:用於侦测人体、动物等红外线辐射,可应用於智能安防、自动门禁系统等。


●土壤湿度感测器:用於监测植物的土壤湿度,以实现自动浇水系统,提高植物生长效果。



图二 : STM32H5可以简化应用程式的设计
图二 : STM32H5可以简化应用程式的设计

低功耗高效能MCU

MCU在维持低功耗并发挥高效能的过程中,需要考虑多方面的因素,包括硬体设计、软体优化和系统架构。一般来说,MCU通常具有多种低功耗模式,如睡眠模式、深度睡眠模式等。进入这些模式时,MCU会将不需要的硬体关闭或减慢其运行速度,以减少功耗。


●频率控制:透过动态电压和频率调节技术,MCU可以根据运算负载的需求动态调整时脉频率和电压。当系统处於低需求状态时,可以降低频率与电压来节省能源。


●事件驱动:MCU可以被设计成事件驱动的方式,只有在有特定事件需要处理时才被唤醒。这样可以极大化减低CPU的运行时间,进而节省功耗。


●硬体加速器:整合硬体加速器能够在某些任务上实现高效能,同时降低功耗。这包括数据处理、加密和解密等任务,可以在硬体层面进行高效处理,减少CPU的叁与。


●智能功耗管理:透过智能功耗管理技术,MCU可以根据系统的需求调整功耗模式。这可能包括动态地调整功耗模式、自适应供应电压,以确保在不同工作模式下都能实现优化的功耗表现。


●低功耗元件的选择:选择低功耗的元件,有助於整体系统功耗的降低。


●节能技术的整合:整合节能技术,例如采用非挥发性记忆体(NVM)以减少待机时的能源消耗。


●优化代码:使用高效的编译器、编码技巧和优化算法来降低功耗。


●睡眠和?醒策略:优化睡眠和?醒策略,确保在MCU不需要处理工作时进入低功耗状态,同时保持对事件的快速反应。



图三 : MCU与感测器整合是实现智能控制的关键
图三 : MCU与感测器整合是实现智能控制的关键

Matter标准的支援

Matter标准支援多种连接技术,因此满足Matter标准的MCU需要具备一定的硬体和软体特性。Matter标准使用Thread网路协定,因此MCU需要支援Thread协定,并能够与其他Matter相容的设备进行通讯。同时,MCU也应该支援IPv6和其他相关的网际网路标准。


智慧家居设备通常需要长时间运行,因此Matter标准的MCU需要具备低功耗特性,以确保节能和长寿命。Matter标准也强调设备的安全性,因此MCU需要支援相应的安全特性,例如安全引导、加密通信等,以防止未经授权的访问和保护用户数据。目前有多家厂商推出了符合Matter标准的MCU产品:


●NXP:安全无线MCU产品RW612,是安全三频无线电MCU,整合了i.MX RT跨界MCU,支援MATTER标准(包括Matter over Wi-Fi、Matter over Thread和Matter over Ethernet)。


●ST:意法半导体的STM32系列MCU,支援Matter标准,并提供了完整的开发工具和生态系统,可以简化智慧家居设备的设计和开发。


●Infineon:英飞??的AIROC Wi-Fi、AIROC蓝牙、802.15.4和PSoC 6微控制等无线产品组合均支援Matter标准。


●TI:德州仪器的Tiva C系列和SimpleLink多协定无线MCU都支援Matter标准。


●瑞萨电子:Renesas R-Car系列系统晶片,整合了Matter标准的多协议控制器。


●西门子:基於ARM Cortex-M系列处理器的S7-1200 PLC支援Matter标准。


结语

在实际应用中,MCU在智能住宅的空间中无所不在,并会结合多种感测器来实现更复杂的智慧宅功能。这些感测器的整合可以透过MCU或智能控制中心实现,使整个智慧宅系统更加智能、自动化和高能效。


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