建築自動化是需求變化相當大的應用，而且對功耗相當敏感，許多裝置大多期待能靠電池運作3∼5年以上。為了適應變化多端的功能需求及嚴格的功耗限制，微控制器(MCU)必須盡可能整合各種周邊功能，並採用鐵電記憶體(FRAM)這類新世代記憶體及對應的開發工具，以便將電力用在刀口上。
現今的建築自動化開發人員面臨許多挑戰。建築自動化設備通常採用一或多個感測器，以監控各種環境狀況及異常事件。這些裝置通常多用於安全設備(熱、火及瓦斯偵測器)、暖通空調(調溫器、環境感測器及故障偵測器)及保全(動作及玻璃碎裂偵測器)等。這些裝置也可能相當複雜，例如搭載鍵盤、數位讀取器及機械功能的電子鎖。
和許多應用一樣，開發人員設計建築自動化設備時的主要挑戰在於讓節點設備更加聰明、整合更多功能，而且電源效率要同步提升。此外，由於物聯網(IoT)概念興起，這類裝置必須具備無線連接功能，才能讓管理者從遠端控制及管理裝置，因此，要讓節點設備維持在低功耗水準，對開發人員形成更沉重的負擔。 最後，開發人員必須盡力降低製造成本，卻不能在產品耐用程度或容錯安全機制上做出妥協。
低功耗/多功能 開發人員重擔扛上肩
對許多建築自動化應用而言，低功耗是基本的設計考量因素。例如物體感測器和動作偵測器使用紅外線、超音波、聲響及影像辨識等技術來偵測辦公室、教室、會議室、廁所、儲藏區及走道等空間中的活動情形(圖1)。這些感測器主要以深度休眠的超低功耗模式運作，因為在感應到活動之前，不須使用到完整的功能。一旦偵測到事件發生，系統就會被喚醒，有效率地處理感測器資料，針對資料採取行動，然後盡速回歸休眠或待機模式。
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| 圖1 以深度休眠的超低功耗模式運作的物體及動作偵測器感應器。 |
感測器可以簡單，也可以複雜。例如玻璃碎裂偵測器可使用窄頻麥克風，調校至一般玻璃破碎的警報頻率，於聲響超越特定閾值時觸發偵測事件(圖2)。另外也可能採用更為複雜的設計，例如使用訊號轉換比對聲音事件及玻璃碎裂設定檔，更精確地偵測入侵事件。
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| 圖2 玻璃碎裂等偵測器，實作起來可能很簡單，也可能採用更複雜的設計。 |
結合機械和電子元件應用產品(例如電子鎖)，也須維持低功耗運作(圖3)。這類設備須建構於具彈性的平台，以支援各種不同技術，例如鍵盤、指紋讀取器、RFID卡及安全憑證等。
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| 圖3 電子鎖等特定建築自動化設備，需要低功耗且具彈性的平台，以支援各種不同周邊配置。 |
建築自動化設備通常須要長時間仰賴電池電源獨立運作。使用低功耗MCU可節省感測器能源，延長電池續航時間達10年以上，進而免去終端設備的人工管理作業，降低維護成本。
建築自動化設計會為設計人員帶來各種不同挑戰。在選擇MCU時，除了要低功耗之外，如浮點運算性能及功能整合度也是重點。
運算效能則對設計人員開發智慧功能相當關鍵，例如德州儀器(TI)的MSP系列MCU運作時脈最高可達48MHz，具備實作建築自動化系統分析及智慧決策功能所需的效能，例如可實作進階資料分析，提升監控區域的安全性。
高度整合的MCU架構是實現建築自動化不可或缺的基本元件。MSP系列MCU整合了類比數位轉換器(ADC)、運算放大器及比較器，可以簡化感測器實作過程；支援脈衝寬度調變輸出，則讓該MCU可以有效率地控制馬達；LCD驅動器亦支援最高320個區段顯示。
FRAM有助壓低MCU功耗
傳統嵌入式系統的記憶體主要有SRAM及快閃記憶體兩種，各有優缺點，但對某些應用來說，功耗還是太高了。結合SRAM與快閃記憶體特性的FRAM可以解決這個問題。
SRAM是揮發性記憶體，具備極快的存取速度，但在系統運作的過程中會持續耗電，且關閉電源或停電時，資料會一併流失。快閃記憶體則是非揮發性記憶體，可在不耗電的情況下保留資料。不過，由於快閃記憶體的存取速度較慢，一般只有程式碼及系統設定參數等關鍵資料會儲存至快閃記憶體，以便於系統關閉電源時保留資料。
MSP MCU的特色之一就是使用FRAM技術，也稱為FeRAM或F-RAM。FRAM具備SRAM的速度及快閃記憶體的非揮發特性，是一種通用記憶體，可同時用來儲存程式碼及資料。
FRAM也可按位元寫入，提供程式設計人員高效的資料管理解決方案。FRAM具有幾乎無限的寫入耐用度(大約1015週期)，而且不會有退化跡象，讓開發人員使用時就像使用SRAM一樣。
FRAM改變了韌體的設計方式，提供出色的寫入速度、讀取存取及功耗水準。有了以FRAM為基礎的MCU裝置，開發人員就能彈性地分割程式碼及資料儲存所需的記憶體容量。由於此分割工作是由使用者定義，因此可以依據應用及產品開發期間可能產生的任何規格變化進行調整，以最理想的方式運用記憶體。例如開發人員可在資料及程式碼大小之間做出取捨，以期達到最佳程式效能，不必指定新處理器搭配不同的記憶體組態。
在硬體安全方面，MSP430系列MCU也提供許多進階功能，例如整合式記憶體保護單元(MPU)，可避免意外修改程式碼；開發人員也可利用IP封裝功能保護程式碼，避免未授權的存取動作修改或讀取程式碼。
停電意外免擔心 FRAM妙用無窮
設計人員面對的挑戰之一，就是要如何盡可能減輕維持建築自動化網路的負擔。
例如若裝置意外斷電，不僅會遺失揮發性記憶體內的資料，也會中斷目前的作業狀態。恢復供電時，裝置必須自行完全重置，而且原先尚未完成的作業內容都會遺失。此外，部分設備可能需要手動重新設定。
如果考量整棟建築，自動化網路上的每部裝置遇到停電都需要重置及手動設定，停電將成為重大的維護問題。不過，如果各個裝置能夠在停電一發時，就儲存相關背景及資料，裝置就能自動還原至停電前的狀態，順利恢復運作。
傳統上，停電期間是靠著備用電池或大型電容器來實作背景儲存及還原，這類能源設備儲存足夠電力，以供裝置將完整資訊寫入至非揮發性記憶體。這種方式需要額外元件、機板空間及切換電路，也會增加系統的成本及複雜度，並產生額外的故障點。
有了FRAM，停電期間的運算實作，就不必使用大型的備用電源。首先，程式資料可儲存於FRAM，因此資料已經獲得保護，不必擔心停電問題。其次，FRAM 快速的寫入速度及低耗電特性，讓系統可以在從偵測到停電到完全斷電之前的短暫時差，儲存任何背景關聯資訊。
德州儀器在MSP430FR5x及MSP430FR6x MCU隨附Compute Through Power Loss(CTPL)軟體公用程式，讓程式碼開發人員能夠監控電源供應，並偵測電源降低的壓降情形。達到特定閾值時，系統就能在完全斷電之前，立即儲存其當下的背景關聯內容。恢復供電後，系統便可還原背景，然後恢復運作。
MSP MCU能夠快速儲存系統狀態，並以同樣速度進行還原，因此在部分使用情形下可進一步降低耗電量。待機電流越低，系統喚醒的時間就越長。系統須要快速回應時(例如發生感測器事件)，通常須要利用效率較低的待機模式。
由於FRAM的讀取速度非常快，因此也大幅縮短還原背景的時間。例如，使用快閃記憶體時，儲存13KB區塊的資料需要1秒鐘，而使用FRAM只需要10毫秒就能寫入相同資料量。
重要的是使用FRAM時，許多應用程式背景及資料都已利用非揮發的方式儲存於FRAM。部分情況下，縮短喚醒時間可以讓系統進入更低功耗的模式，例如從LPM3(最低400nA電流)進入LPM3.5(最低250nA電流)，但同時仍可回應即時事件。
隨著這類使用情況的頻率不同，這種方式可以大幅降低整體的待機耗電量。
緊盯周邊運作實現最佳耗電量
建築自動化應用所使用的許多感測器，大部分時間都處於待機模式。開發人員盡可能延長待機時間並降低待機電流，藉此達到最理想的耗電量。然而，傳統除錯工具的功能有限，難以準確評估系統各種使用情況下耗電情形。
MSP430 MCU系列支援EnergyTrace技術，可協助開發人員即時剖析MCU運作狀況，達到最高的電源最佳化。對於建築自動化應用，MSP430FRx及MSP430FR6x均支援EnergyTrace++技術，因此可針對個別周邊設備進行電源監控，並掌握MCU的功耗情形。
由於可監控個別周邊設備，因此能夠測量更多項目，而不只是長期下來的整體能源用量。更鉅細靡遺的監控能力可讓開發人員驗證周邊設備的運作狀態是否符合預期。例如ADC或浮點運算單元(FPU)未使用時，電源可能仍保持在開啟狀態。有了EnergyTrace++，開發人員就可以設定各種周邊設備何時開啟，並決定該周邊設備是否真的需要供電。
EnergyTrace++也可用於驗證CPU是否處於正確的低功耗模式。每一種低功耗模式都有相依性，如果CPU未能正確起始運作，就可能無法進入更低功耗的模式。例如系統時脈可能要以特定頻率執行，才能進入更低功耗模式，如果時脈設定不當，系統將無法進入此功耗模式，導致耗用遠高於預期的能量。許多傳統除錯 工具無法偵測這類錯誤。
為了進一步協助開發人員達成最佳的能源效率，德州儀器提供了Ultra-Low Power(ULP)Advisor。該工具可掃描應用程式及韌體程式碼，並提出建議，協助開發人員降低耗電量。ULP Advisor不僅能列出最佳實務解，還能找出各種特定方式，讓系統程式碼最佳化以追求更高的能源效率，並說明各種方法應在何處實作。
建築自動化千頭萬緒 選對MCU開發更省事
MSP微控制器系列是開發建築自動化應用的理想平台，範圍涵蓋感測器節點，乃至於存取及控制系統。低功耗運作是盡可能延長電池續航力並降低維護成本的基本要件。MSP430架構專為低功耗所設計，可實現高效運作、長久的電池續航力，以及低複雜度的電源供應。
其中高度整合的數位及類比元件，最適合特定應用及終端設備，不但可簡化設計，也支援多種感測器輸入，協助縮小外型規格，並進一步提升電源效率。支援各式各樣的通訊協定，提供高度的連線能力及物聯網功能。
以FRAM為基礎架構的MSP430可利用非揮發性記憶體技術降低設計複雜度，同時提升整體能源效率。IP封裝及整合式AES256等進階功能，可協助開發人員達成更出色的安全性，因應建築自動化系統需求。
為因應更高的效能及處理需求，德州儀器最近推出MSP432 MCU，設計搭載ARM 32位元Cortex-M4F核心。MSP432 MCU具有進階混合訊號功能，同時仍秉持MSP的超低功耗特色。微控制器使用最佳化數學程式庫，提供更出色的效能，進而節省開發人員的時間和精力。此外，也具備更優異的安全功能，例如區域安全區、AES256及雙庫(Dual-bank)記憶體，適合遠端韌體升級使用。
