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精進品質的智慧住宅策略 實現智能化家居控制
有效管理和控制

【作者: 王岫晨】   2024年01月24日 星期三

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智慧住宅(Smart Home)是指利用先進的科技和自動化技術,將家居環境中的各種設備、系統和設施互聯網聯繫,以提高生活品質、安全性、節能效益和便利性的居住空間。這些智慧化的家居系統通常能夠通過網路連接,使家居設備能夠互相通訊、自動調節並根據使用者的需求進行智能化操作。


智慧住宅可以透過感應器、微控制器和智能設備,使家居系統能夠自動執行各種任務,如自動開啟照明、調節室內溫度、控制家庭安全系統等。居住者可以利用智能手機、平板電腦或電腦遠程監控和控制家中的設備,無論他們身在何處。


智慧住宅也能夠有效管理和控制家庭能源的使用,包括照明、冷暖空調、家電等,以提高能源效益。安全監控系統包括門窗感應器、監視攝像頭、智能門鎖等,能用來提高家庭的安全性。而整合家庭娛樂設備,如音響、影音系統,並透過智能控制可以實現更便捷的娛樂體驗。一些智慧住宅系統還可以整合健康和醫療監測設備,用於監測居民的健康狀態。


自動控制的實現

在智慧家居的應用中,MCU與感測器整合是實現自動化、監控和智能控制的關鍵。首先,根據應用需求選擇適當的感測器。感測器可以包括溫度感測器、光感測器、運動感測器、紅外線感測器、聲音感測器等。選擇的感測器應能夠滿足特定的智慧家居需求,例如節能、安全、自動化等。


MCU應具備感測器通信的連接介面。這可能包括I2C、SPI、UART等通訊協定,以便MCU能夠讀取感測器的數據。而MCU也負責接收感測器的數據,進行必要的數據處理和分析。這可能包括濾波、校正、識別特定事件等處理步驟,以確保得到可靠和準確的資訊。


透過感測器提供的數據,MCU可以進行決策並控制相應的家居設備或系統。例如,如果溫度感測器檢測到溫度升高,MCU可以觸發空調系統,實現自動調溫。MCU也可以透過無線通訊(例如Wi-Fi、藍牙、Zigbee)或有線通訊將感測器數據傳輸到其他智能設備或雲端平台,實現智能家居系統的整合和遠程監控。


當然,考量到智慧家居設備通常需要長時間運行,MCU也必須具備低功耗特性,以確保長時間運行和節省能源。另外,開發相應的應用軟體,例如驅動感測器、數據處理演算法、決策邏輯和通訊協議等,也有助於智慧家居應用的擴展。而智慧家居應用可能涉及用戶的數據和隱私,因此MCU也必須實現安全性和隱私保護機制。


滿足ESG標準的智慧住宅

ESG代表環境(Environmental)、社會(Social)、和管理(Governance),是一種評估企業和投資項目綜合性可持續性的方法。智慧住宅可以在以下方面滿足ESG標準:


●環境(Environmental):智慧住宅系統可以有效管理和控制能源使用,包括照明、冷暖空調、家電等,以提高能源效益,減少碳足跡。整合智慧系統和水資源管理,以最小化水的浪費,符合環境可持續性的原則。


●社會(Social):智慧住宅系統提供安全監控、緊急通知、以及健康監測功能,有助於保障居民的安全和健康。某些智慧住宅技術能夠提供輔助功能,以支援老年人和殘障人士,確保居住空間的通達性。


●管理(Governance):智慧住宅系統需要有高度的數據隱私保護和安全標準,確保數據不被濫用並防止未經授權的訪問。提供居民有關系統運作和數據使用的透明度,確保良好的居家管理。



圖一 : 居住者可以遠程控制智慧家居設備,無論他們身在何處。
圖一 : 居住者可以遠程控制智慧家居設備,無論他們身在何處。

精進品質的感測元件

不同類型的感測器在智慧宅中發揮著各種不同的作用,用於監測、檢測和控制各種環境和設備。以下是一些常見的感測器類型及其在智慧宅中的具體應用:


●溫度感測器:用於監測室內和室外溫度,以調節暖通空調系統,實現節能和舒適的環境。


●光感測器:用於感知照明水平,以自動調整室內燈光,實現節能和提高用戶舒適度。


●運動感測器:用於偵測室內和室外的運動,可以用於安全監控系統,智能門窗的自動開關,以及對進入區域的通知。


●煙霧感測器:用於檢測室內的煙霧和有毒氣體,以提供早期的火災警報和保障家庭安全。


●門窗感測器:用於監控門窗的開啟和關閉狀態,可與智能安全系統結合,提供入侵檢測功能。


●水浸感測器:用於檢測水浸,例如漏水情況,以預防水損並提供早期警報。


●振動感測器:用於監測設備或建築的振動,可用於監控結構安全,也可應用於防盜系統。


●CO2感測器:用於監測室內二氧化碳水平,以實現室內空氣質量的監控和自動通風控制。


●聲音感測器:用於檢測室內聲音變化,可應用於安防系統、智能家居助手等。


●距離感測器:用於測量物體與感測器之間的距離,可應用於自動門禁、無人機避障等場景。


●紅外線(IR)感測器:用於偵測人體、動物等紅外線輻射,可應用於智能安防、自動門禁系統等。


●土壤濕度感測器:用於監測植物的土壤濕度,以實現自動澆水系統,提高植物生長效果。



圖二 : STM32H5可以簡化應用程式的設計
圖二 : STM32H5可以簡化應用程式的設計

低功耗高效能MCU

MCU在維持低功耗並發揮高效能的過程中,需要考慮多方面的因素,包括硬體設計、軟體優化和系統架構。一般來說,MCU通常具有多種低功耗模式,如睡眠模式、深度睡眠模式等。進入這些模式時,MCU會將不需要的硬體關閉或減慢其運行速度,以減少功耗。


●頻率控制:透過動態電壓和頻率調節技術,MCU可以根據運算負載的需求動態調整時脈頻率和電壓。當系統處於低需求狀態時,可以降低頻率與電壓來節省能源。


●事件驅動:MCU可以被設計成事件驅動的方式,只有在有特定事件需要處理時才被喚醒。這樣可以極大化減低CPU的運行時間,進而節省功耗。


●硬體加速器:整合硬體加速器能夠在某些任務上實現高效能,同時降低功耗。這包括數據處理、加密和解密等任務,可以在硬體層面進行高效處理,減少CPU的參與。


●智能功耗管理:透過智能功耗管理技術,MCU可以根據系統的需求調整功耗模式。這可能包括動態地調整功耗模式、自適應供應電壓,以確保在不同工作模式下都能實現優化的功耗表現。


●低功耗元件的選擇:選擇低功耗的元件,有助於整體系統功耗的降低。


●節能技術的整合:整合節能技術,例如採用非揮發性記憶體(NVM)以減少待機時的能源消耗。


●優化代碼:使用高效的編譯器、編碼技巧和優化算法來降低功耗。


●睡眠和?醒策略:優化睡眠和?醒策略,確保在MCU不需要處理工作時進入低功耗狀態,同時保持對事件的快速反應。



圖三 : MCU與感測器整合是實現智能控制的關鍵
圖三 : MCU與感測器整合是實現智能控制的關鍵

Matter標準的支援

Matter標準支援多種連接技術,因此滿足Matter標準的MCU需要具備一定的硬體和軟體特性。Matter標準使用Thread網路協定,因此MCU需要支援Thread協定,並能夠與其他Matter相容的設備進行通訊。同時,MCU也應該支援IPv6和其他相關的網際網路標準。


智慧家居設備通常需要長時間運行,因此Matter標準的MCU需要具備低功耗特性,以確保節能和長壽命。Matter標準也強調設備的安全性,因此MCU需要支援相應的安全特性,例如安全引導、加密通信等,以防止未經授權的訪問和保護用戶數據。目前有多家廠商推出了符合Matter標準的MCU產品:


●NXP:安全無線MCU產品RW612,是安全三頻無線電MCU,整合了i.MX RT跨界MCU,支援MATTER標準(包括Matter over Wi-Fi、Matter over Thread和Matter over Ethernet)。


●ST:意法半導體的STM32系列MCU,支援Matter標準,並提供了完整的開發工具和生態系統,可以簡化智慧家居設備的設計和開發。


●Infineon:英飛淩的AIROC Wi-Fi、AIROC藍牙、802.15.4和PSoC 6微控制等無線產品組合均支援Matter標準。


●TI:德州儀器的Tiva C系列和SimpleLink多協定無線MCU都支援Matter標準。


●瑞薩電子:Renesas R-Car系列系統晶片,整合了Matter標準的多協議控制器。


●西門子:基於ARM Cortex-M系列處理器的S7-1200 PLC支援Matter標準。


結語

在實際應用中,MCU在智能住宅的空間中無所不在,並會結合多種感測器來實現更複雜的智慧宅功能。這些感測器的整合可以透過MCU或智能控制中心實現,使整個智慧宅系統更加智能、自動化和高能效。


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