甜蜜的智能家居

TI公司 Sean Murphy

甜蜜的智能家居

TI公司 Sean Murphy

論述了電子式電能表eMeter在智能家居中的應(yīng)用及聯(lián)網(wǎng)型智能家居的發(fā)展?jié)摿?。并指出安全?biāo)準(zhǔn)的發(fā)展推動(dòng)了智能家庭網(wǎng)絡(luò)的廣泛接受。

智能電網(wǎng)；智能家居；eMeter

eMeter

五年前，人們開(kāi)始對(duì)“電子式電能表”（eMeter）有所耳聞。與傳統(tǒng)的機(jī)械式電能表相比，eMeter能夠更快、更便宜、更可靠地報(bào)告用電量。對(duì)于公用事業(yè)公司而言，采用eMeter所實(shí)現(xiàn)的長(zhǎng)期成本節(jié)省將可以抵消由于全系統(tǒng)范圍的基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)所產(chǎn)生的高昂費(fèi)用。于是，政府給予一定的扶持與激勵(lì)政策以助力機(jī)械式電能表向電子式電能表的過(guò)渡也就順理成章了。

首批eMeter基于8 bit或16 bit微控制器 (MCU)，如德州儀器 (TI)的超低功耗MSP430，并針對(duì)用電量測(cè)量（計(jì)量）或不同的通信類(lèi)型（取決于所處的地理位置）以及公用事業(yè)公司的其他要求和總體目標(biāo) (包括降低能耗)采用嵌入式或分立式模擬電路。圖1所示即為PLC解決方案。

簡(jiǎn)單地通過(guò)跟蹤電量使用情況并將相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)傳送回公用事業(yè)公司，eMeter便開(kāi)啟了這場(chǎng)電能計(jì)量方式的革命。如今，將原有的電子通信基礎(chǔ)設(shè)施與智能家庭網(wǎng)絡(luò)組合起來(lái)具有現(xiàn)實(shí)意義，可實(shí)現(xiàn)多種家電產(chǎn)品的聯(lián)網(wǎng)以提供安全性與便利性。由于能源成本是首要問(wèn)題，而且聯(lián)網(wǎng)電子產(chǎn)品急劇增多，因此對(duì)于聯(lián)網(wǎng)型智能家居及智能計(jì)量?jī)x表的需求比以往任何時(shí)候都要緊迫。簡(jiǎn)而言之，智能電網(wǎng)與智能家庭網(wǎng)絡(luò)必需發(fā)展到更高的水平以滿足用戶(hù)的需要。

聯(lián)網(wǎng)型智能家居

在一個(gè)智能家庭網(wǎng)絡(luò)之內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)互連的部分正在迅速增加。通過(guò)因特網(wǎng)的快速搜索，客戶(hù)能夠獲取多種具有智能連接能力的水、電、氣表的讀數(shù)。目前，商業(yè)和消費(fèi)等級(jí)的產(chǎn)品可提供面向家用電子設(shè)備的功能，包括采暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC)、照明控制、安全、煙霧報(bào)警探測(cè)、電動(dòng)車(chē)輛充電器以及諸多的智能型電器（例如：具有觸摸屏的冰箱可供用戶(hù)監(jiān)視家庭電能使用狀況并可通過(guò)網(wǎng)上沖浪來(lái)搜索食譜或觀看電視節(jié)目）。新涌現(xiàn)的這一代聯(lián)網(wǎng)型設(shè)備逐漸融入到智能家庭網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，有望為使用者提供類(lèi)似于未來(lái)派卡通片中的人物喬治·杰森 (George Jetson)所經(jīng)歷的體驗(yàn)。當(dāng)然還不能包括機(jī)器女傭蘿西（不管怎么樣，現(xiàn)在還沒(méi)有）。

雖然聯(lián)網(wǎng)型智能家居的潛力在很大程度上取決于家庭的主人，但如今有關(guān)的推進(jìn)工作正在如火如荼地進(jìn)行中，旨在將人們引向一個(gè)高度互聯(lián)的用戶(hù)友好型家居時(shí)代。在電網(wǎng)電力供應(yīng)緊張的地區(qū)或時(shí)段，公用事業(yè)公司可在得到允許的情況下與家庭或商企聯(lián)系，以調(diào)整電器使用率、HVAC設(shè)置或其他活動(dòng)等事項(xiàng)，從而使其避免遭受滾動(dòng)式限電(Rolling Brown Outs)或不得不按峰值費(fèi)率支付電費(fèi)。其他活動(dòng)則歸屬于提供便利性，諸如離家在外時(shí)使用智能手機(jī)或工作電腦調(diào)節(jié)恒溫器、在窗戶(hù)未關(guān)/未鎖時(shí)發(fā)送警示信號(hào)、監(jiān)視家中老人的行動(dòng)情況等選項(xiàng)?？傊?lián)網(wǎng)型智能家居的發(fā)展?jié)撃苁菦](méi)有止境的。

聯(lián)網(wǎng)型智能家居喚起了人們對(duì)于像“迪斯尼樂(lè)園的未來(lái)之屋”這樣一些事物的回憶?，F(xiàn)在可以描繪一幅更加現(xiàn)實(shí)的愿景。一種方法是使普通eMeter升級(jí)至智能型eMeter，這意味著從依靠單一網(wǎng)絡(luò)向依靠多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作方式過(guò)渡。過(guò)去，將測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞回公用事業(yè)公司所需的只是單個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，如ZigBee或有線電力線通信(PLC)。但是，為了實(shí)現(xiàn)連接至多部設(shè)備并實(shí)際操作這些設(shè)備的能力，就必需構(gòu)建多個(gè)相互疊加的網(wǎng)絡(luò)，以使這些網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)通信。圖2所示即為優(yōu)化的智能電網(wǎng)解決方案。

例如，在同一個(gè)系統(tǒng)中可以同時(shí)使用 Wi-Fi、sub-1.0 GHz、2.4 GHz和以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。這推動(dòng)了對(duì)于運(yùn)行尖端復(fù)雜軟件的需求。已經(jīng)出現(xiàn)了向使用高端實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)或高級(jí)操作系統(tǒng)(HLOS)遷移的動(dòng)向，前者的供應(yīng)商包括Mentor Graphics和Green Hills Software等，而后者的實(shí)例則有 Google的 Android、Linux及 Microsoft的Windows Embedded CE等。將這些操作系統(tǒng)(OS)與增加的軟件棧尺寸相組合，以適應(yīng)此類(lèi)通信時(shí)，嵌入式設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)而基于32 bitMCU，例如具有大容量閃存和外部存儲(chǔ)器接口的TI Stellaris ARM Cortex-M3 MCU。設(shè)計(jì)人員甚至可以規(guī)劃使用TI的32 bit微處理器(MPU)產(chǎn)品——Sitara ARM Cortex-A8或 ARM9-based MPU。

ARM Cortex-A8是首例運(yùn)用了多種技術(shù)的處理器，是智能家居應(yīng)用的理想選擇。這些技術(shù)包括TrustZone安全、Thumb-2指令集以及旨在實(shí)現(xiàn)快速與高效Java執(zhí)行的Jazelle-RCT。所有這些特性以及高靈活性與強(qiáng)大功能使得基于ARM Cortex-A8的器件成為嵌入式智能家居系統(tǒng)的理想選擇。

不僅ARM公司在助推相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，業(yè)內(nèi)其他主要半導(dǎo)體公司也在奉獻(xiàn)其技術(shù)，其中對(duì)“組合式IC”的需求十分迫切。超標(biāo)量組合式處理器IC給現(xiàn)有許多極受青睞的產(chǎn)品組合增添了藍(lán)牙/Wi-Fi與藍(lán)牙/WIMAX/Wi-Fi配置，可使聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在多種與智能家庭網(wǎng)絡(luò)相連的設(shè)備之間共享豐富多媒體內(nèi)容。其應(yīng)用覆蓋了智能電網(wǎng)的三個(gè)區(qū)段，如圖3所示。

安全標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)智能家庭網(wǎng)絡(luò)發(fā)展

智能家庭網(wǎng)絡(luò)被廣泛接受的另一個(gè)推動(dòng)力來(lái)自于安全標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。智能電網(wǎng)不單是一種引人注目的工具和非凡的業(yè)績(jī)，同時(shí)也是一份巨大的責(zé)任。美國(guó)政府正致力于確保相關(guān)的管理規(guī)章及時(shí)到位，以避免電網(wǎng)安全遭受恐怖分子、惡意黑客及其他潛在威脅者的破壞。隨著電網(wǎng)智能化與互連程度的日益提高，相比于其機(jī)械式版本，安全標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展成為了一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)。

應(yīng)對(duì)安全問(wèn)題的解決方案之一是使智能電網(wǎng)向云計(jì)算模型發(fā)展。最近，電信運(yùn)營(yíng)商Verizon宣布，已通過(guò)與智能電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域中的主要廠商合作提供了此類(lèi)智能eMeter服務(wù)。遷移至云計(jì)算不僅有助于保障安全性，而且還因前期資本投入較少而受到公用事業(yè)公司的喜愛(ài)。

考慮到美國(guó)電力輸送基礎(chǔ)設(shè)施的日漸老化的問(wèn)題，以及抗拒全球變暖的需求和更加合理地使用所有能源的需要，電子計(jì)量(eMetering)或智能型電子式電能表(eMeter)是理想的解決方案。

2009年，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬簽署了一項(xiàng)計(jì)劃，其中包括45億美元的支出直接用于以智能電網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代化。

此外，來(lái)自底特律的全新一代電動(dòng)汽車(chē)也隨時(shí)準(zhǔn)備大顯身手。讓電動(dòng)汽車(chē)上路行駛可惠及所有的人——不僅出于顯而易見(jiàn)的環(huán)保原因，而且電動(dòng)汽車(chē)還能夠均衡峰谷電力需求之間的差異，從而大幅提升公用事業(yè)公司和納稅人的幸福感。

隨著普通eMeter向智能型eMeter的過(guò)渡，用戶(hù)將擁有真正的聯(lián)網(wǎng)型家居，可節(jié)省成本，提供娛樂(lè)和日常生活的便利并實(shí)現(xiàn)環(huán)保，使得人們的居所成為名副其實(shí)的“甜蜜智能家居”。