文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
文章編號(hào): 0258-7998(2011)04-0081-04
智能家居技術(shù)在近幾年得到了較快的發(fā)展,但現(xiàn)有的設(shè)計(jì)大多采用有線組網(wǎng)的方式,布線繁復(fù)且不美觀,采用315 MHz無(wú)線方式組網(wǎng)可減少布線,但315 MHz通信方式帶寬窄且容易受干擾。2.4 GHz通信速率高且可通過(guò)跳頻方式減少相互之間的干擾,在2.4 GHz應(yīng)用芯片已經(jīng)大量生產(chǎn)的今天,采用2.4 GHz的通信方式已成為家電類(lèi)產(chǎn)品無(wú)線通信的趨勢(shì)。
據(jù)統(tǒng)計(jì),目前國(guó)內(nèi)手機(jī)的使用已經(jīng)極其普遍,用戶(hù)已經(jīng)超過(guò)7億。用短信方式給用戶(hù)發(fā)送信息要比通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送實(shí)時(shí)性更高。
nRF24L01是NORDIC公司設(shè)計(jì)的一款新型單片2.4 GHz射頻收發(fā)器件,TC35是SIEMENS公司的一款A(yù)T指令操作的GSM模塊,操作簡(jiǎn)單。本文介紹一種基于nRF24L01和TC35的智能家居監(jiān)控系統(tǒng),它通過(guò)nRF24L01以無(wú)線方式組網(wǎng),工作穩(wěn)定且無(wú)繁復(fù)的布線,能將緊急情況通過(guò)短信方式告知用戶(hù)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)由一個(gè)主控機(jī)和多個(gè)從機(jī)組成,集成的功能包括定時(shí)自動(dòng)開(kāi)關(guān)電器、下雨自動(dòng)關(guān)窗、紅外入侵檢測(cè)報(bào)警、可燃?xì)庑孤z測(cè)報(bào)警并自動(dòng)開(kāi)窗、通過(guò)短信可遠(yuǎn)程控制家里電器以及異常情況發(fā)送短信告知用戶(hù)等。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主控機(jī)和多個(gè)從機(jī)通過(guò)2.4 GHz無(wú)線模塊構(gòu)成星型結(jié)構(gòu)的無(wú)線微網(wǎng)絡(luò)。主控機(jī)作為微網(wǎng)絡(luò)的中央節(jié)點(diǎn),各監(jiān)測(cè)模塊或控制執(zhí)行模塊作為從機(jī)節(jié)點(diǎn)通過(guò)微網(wǎng)絡(luò)與主控機(jī)相連。主控機(jī)接收處理各從機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線微網(wǎng)絡(luò)控制各從機(jī)。此外主控機(jī)還通過(guò)液晶屏提供用戶(hù)操作界面和通過(guò)TC35模塊提供用戶(hù)短信控制接口。這種結(jié)構(gòu)以主控機(jī)為中心,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,管理和控制方便,網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間短,數(shù)據(jù)傳輸誤差低,可靠性高。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 2.4 GHz無(wú)線微網(wǎng)絡(luò)的組建
2.1.1 器件選擇
通常的智能家居系統(tǒng)中使用的控制網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方案分有線傳輸和無(wú)線傳輸兩種方式。有線傳輸方式依靠電纜連接,優(yōu)點(diǎn)是連接穩(wěn)定,信息交換速率和效率高,但是需要布置專(zhuān)用線纜,布線麻煩,安裝維護(hù)成本高,增減設(shè)備需重新布線,可移動(dòng)性差且影響美觀。在無(wú)線傳輸?shù)姆绞街?,包?15 MHz免執(zhí)照頻段、藍(lán)牙技術(shù)和ZigBee技術(shù)。315 MHz免執(zhí)照頻段通信易受干擾,藍(lán)牙技術(shù)和ZigBee技術(shù)成本高,且協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)大。綜合考慮以上因素,本設(shè)計(jì)采用NORDIC公司的2.4 GHz射頻收發(fā)器件nRF24L01來(lái)提供數(shù)據(jù)交互以組建無(wú)線微網(wǎng)絡(luò)。
nRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的2.4 GHz單片射頻收發(fā)芯片,采用FSK調(diào)制,內(nèi)嵌NORDIC公司的Enhanced Shock Burst協(xié)議,內(nèi)置鏈路層,可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或是1對(duì)6無(wú)線通信。有125個(gè)可選工作頻道,頻道切換時(shí)間短,可用于跳頻,通過(guò)跳頻可以減少干擾。
2.1.2 nRF24L01模塊接口設(shè)計(jì)
nRF24L01為SPI接口器件,與單片機(jī)的接口電路如圖2所示。圖2中,CE為模式控制端,CSN為片選端(低電平有效),SCK為控制時(shí)鐘線(SPI時(shí)鐘),MOSI為主出從入數(shù)據(jù)線(Master Output Slave Input),MISO為主入從出數(shù)據(jù)線(Master Input Slave Output),IRQ為中斷信號(hào)。電源電壓通過(guò)AMS1117穩(wěn)壓為3.3 V后為nRF24L01供電。
2.1.3 nRF24L01 收發(fā)模式選擇及操作流程
nRF24L01可選擇的收發(fā)模式有Enhanced ShockBurst收發(fā)模式、ShockBurst收發(fā)模式和直接收發(fā)模式三種。Enhanced ShockBurst收發(fā)模式下,nRF24L01使用內(nèi)嵌的雙向鏈接協(xié)議,發(fā)送時(shí)自動(dòng)生成前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼,并等待應(yīng)答信號(hào),接收到數(shù)據(jù)時(shí)校驗(yàn)數(shù)據(jù)并發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。若數(shù)據(jù)丟失,發(fā)送端沒(méi)接收到應(yīng)答信號(hào),則通過(guò)重發(fā)功能將數(shù)據(jù)恢復(fù)。本設(shè)計(jì)中采用Enhanced ShockBurst收發(fā)模式。
nRF24L01具體的操作流程如圖3所示,在對(duì)nRF24L01進(jìn)行讀寫(xiě)操作前,應(yīng)先將nRF24L01模式置為待機(jī)模式,然后才可通過(guò)SPI口對(duì)nRF24L01進(jìn)行操作。
2.2 主控機(jī)的硬件設(shè)計(jì)
主控板的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。
主控機(jī)完成對(duì)各分機(jī)發(fā)來(lái)的信息的處理,將控制信號(hào)發(fā)往各個(gè)分機(jī),并通過(guò)液晶提供用戶(hù)界面和通過(guò)GSM給用戶(hù)提供遠(yuǎn)程操作接口。
由于主控機(jī)部分需要處理較多的數(shù)據(jù),存儲(chǔ)空間需求大,但對(duì)于接口方面要求不大,所以主控機(jī)的控制芯片使用STC89C58RD+單片機(jī),其內(nèi)部有32 KB的Flash、1 KB的RAM和16 KB的EEPROM,32 KB的Flash滿足程序的下載空間,1 KB的RAM和16的EEPROM滿足程序運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),節(jié)省了外部存儲(chǔ)器。
主機(jī)通過(guò)I/O口與STC89C52RC單片機(jī)通信控制GSM模塊。STC89C52RC單片機(jī)接收來(lái)自GSM模塊的數(shù)據(jù)并處理后傳至STC89C58RD+,把STC89C58RD+發(fā)送的指令處理后控制GSM模塊把信息告知用戶(hù),這樣設(shè)計(jì)減小了主控板上微處理器的工作負(fù)擔(dān),使系統(tǒng)的運(yùn)行更流暢。
STC89C58RD+通過(guò)SPI接口與nRF24L01連接,通過(guò)nRF24L01與各從機(jī)交互信息,并通過(guò)液晶屏顯示提供用戶(hù)的操作界面。
為了提供用戶(hù)操作界面,采用液晶屏來(lái)顯示相關(guān)信息,液晶屏采用飛利浦的PCD8544液晶顯示屏,PCD8544為48×84點(diǎn)陣的LCD,可顯示3行8列漢字。采用3.3 V供電。
要實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制功能,則必須有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘作為參考,且該時(shí)鐘需要在掉電時(shí)還能繼續(xù)運(yùn)行。常用的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片有DS12887和DS1302,為了降低成本,使用DS1302時(shí)鐘芯片作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘,將3 V鋰電池接至DS1302的后備電源腳VCC1作為后備電源,以提供在斷電時(shí)時(shí)鐘的正常運(yùn)行。
用DS18B20作為環(huán)境溫度傳感,為了給DS18B20的數(shù)據(jù)口提供足夠的上拉電流,用4.7 k?贅的電阻上拉到5 V電源。
2.3 GSM部分
GSM部分采用SIEMENS的TC35模塊作為GSM無(wú)線通信模塊,使用STC89C52RC作為控制芯片。TC35模塊中包括完整的RF電路和GSM基帶處理器,基帶處理器處理模塊內(nèi)所有的信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸,并且通過(guò)內(nèi)部軟件運(yùn)行所有的GSM協(xié)議,最終以UART串口形式提供對(duì)外接口。TC35模塊通過(guò)40PIN的ZIF連接器和用戶(hù)連接,提供包括電源接口、串行數(shù)據(jù)接口和SIM卡接口在內(nèi)的多個(gè)應(yīng)用接口。
2.3.1 TC35供電設(shè)計(jì)
TC35的工作電壓輸入端VBATT+,電壓范圍為3.3 V~5.5 V,最大工作電流Imax可達(dá)2 A。工作時(shí),最大的電源電壓掉落不能超過(guò)400 mV,否則TC35將認(rèn)為電源供電不足,自動(dòng)復(fù)位而停止工作。
由于VBATT+引腳的峰值電流可達(dá)到2 A,而且由于連接TC35模塊的扁平柔性連線的內(nèi)在固有阻抗的存在,當(dāng)一個(gè)GSM發(fā)射脈沖到來(lái)時(shí),可能會(huì)引起相當(dāng)大的電壓跌落。為了保證TC35在工作時(shí)電壓跌落值在400 mV之內(nèi),采用盡可能短的連接模塊和ZIF座的扁平柔性FFC電纜及低輸出阻抗的電源。
最終以4.37 V給TC35供電。
2.3.2 TC35控制接口電路
用STC89C52RC作為T(mén)C35的控制芯片,將結(jié)果處理后通過(guò)4根I/O口與主控板通信,減少主控部分的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。
STC89C52RC通過(guò)串口操作TC35,TC35接口電平為2.5 V左右,為了加強(qiáng)抗干擾能力和方便在PC上調(diào)試,使用MAX232作為電平轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換為RS232電平,如圖6。STC89C52RC再通過(guò)轉(zhuǎn)換后的電平與TC35通信。
2.4 從機(jī)設(shè)計(jì)
2.4.1 智能窗設(shè)計(jì)
智能窗部分包括電機(jī)控制電路、降雨檢測(cè)模塊、紅外入侵模塊、按鍵和無(wú)線模塊,如圖7。
智能窗以STC12C2052AD單片機(jī)為控制器,通過(guò)雨水檢測(cè)、無(wú)線數(shù)據(jù)檢測(cè)、紅外入侵檢測(cè)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)從而確定單片機(jī)是否要執(zhí)行某個(gè)動(dòng)作。通過(guò)程序控制,可以實(shí)現(xiàn)在下雨時(shí)自動(dòng)關(guān)閉窗戶(hù),防止雨水淋到室內(nèi),在接收到室內(nèi)可燃?xì)怏w含量過(guò)高的報(bào)警信號(hào)時(shí)自動(dòng)打開(kāi)窗戶(hù),增加室內(nèi)的空氣流通,防止用戶(hù)由于吸到室內(nèi)的可燃?xì)怏w而中毒,并能預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。此外該窗戶(hù)的紅外入侵檢測(cè)模塊可以檢測(cè)是否有人非法闖入。
雨水檢測(cè)模塊由PCB板制成,連接至STC2052AD的A/D轉(zhuǎn)換口,單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)電壓來(lái)判斷是否有降雨。
2.4.2 可燃?xì)鈾z測(cè)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用MQ-2傳感器。該傳感器加熱電源為5.0 V±0.2 V,加熱功耗不到900 mW,因此無(wú)需另外提供電源。MQ-2氣體傳感器由微型AL203陶瓷管、SnO2 敏感層,測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi),加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳,其中4個(gè)用于信號(hào)取出,2個(gè)用于提供加熱電流。
電路主要通過(guò)調(diào)試可變電阻調(diào)節(jié)煙霧傳感器的靈敏度,通過(guò)STC12C2052AD單片機(jī)進(jìn)行A/D采樣及處理。如果檢測(cè)到有可燃?xì)怏w,立即通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送指令給主控板,主控板識(shí)別后通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送指令給智能窗,智能窗收到指令后,馬上打開(kāi)窗戶(hù),增加室內(nèi)空氣流通;通過(guò)控制STC89C51單片機(jī)控制GSM模塊發(fā)送警告信號(hào)到用戶(hù)指定的移動(dòng)終端告知用戶(hù)。
2.4.3 紅外入侵檢測(cè)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的入侵檢測(cè)采用熱釋電被動(dòng)式紅外傳感器,該傳感器將兩個(gè)極性相反、特性一致的探測(cè)元串接在一起,利用兩個(gè)極性相反、大小相等的干擾信號(hào)在內(nèi)部相互抵消的原理來(lái)使傳感器得到補(bǔ)償,使傳感器對(duì)環(huán)境背景輻射的干擾不敏感。在它的輻射照面覆蓋有只能透過(guò)特定波長(zhǎng)紅外線的濾光片,這個(gè)濾光片可通過(guò)光的波長(zhǎng)范圍為7~10 ?滋m,正好適合于人體紅外輻射的探測(cè),而對(duì)其他波長(zhǎng)的紅外線由濾光片予以吸收,這樣便形成了一種專(zhuān)門(mén)用作探測(cè)人體輻射的紅外線傳感器,使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。傳感器外面加上菲泥爾,可以加強(qiáng)敏感度。
2.4.4 學(xué)習(xí)型紅外遙控設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)包含對(duì)空調(diào)等紅外電器的遙控,紅外遙控在家電產(chǎn)品中有廣泛應(yīng)用,但是由于存在紅外編碼方式,各產(chǎn)品的遙控器不兼容。就算是市面上的萬(wàn)能遙控器也只是針對(duì)某幾樣產(chǎn)品,無(wú)法涵蓋全部。為了達(dá)到真正意義上的“萬(wàn)能”遙控,就必須采用學(xué)習(xí)型遙控方式。
紅外學(xué)習(xí)遙控由單片機(jī)進(jìn)行脈寬采樣并記錄,由單片機(jī)產(chǎn)生38 kHz的載波,經(jīng)過(guò)緩沖放大后通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射出去。
紅外脈寬的采樣采用一體化紅外接收頭接收,通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器測(cè)量脈寬,然后將脈寬信息寫(xiě)入EEPROM存儲(chǔ),發(fā)送編碼時(shí),由單片機(jī)產(chǎn)生38 kHz的載波,脈寬調(diào)制后經(jīng)過(guò)緩沖放大后通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射出去。
為此,紅外學(xué)習(xí)遙控器由STC12C2052AD單片機(jī)作為控制芯片,STC12C2052AD內(nèi)部集成了10 KB的EEPROM用以存儲(chǔ)紅外編碼,定時(shí)器的溢出可作為時(shí)鐘由I/O口輸出作為38 kHz載波。
實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)是可行的,實(shí)現(xiàn)了對(duì)家用電器的智能化地自動(dòng)控制,讓人們可以通過(guò)移動(dòng)電話遠(yuǎn)程控制家用電器的運(yùn)轉(zhuǎn)。但系統(tǒng)功能不夠完善,且由于采用51單片機(jī)作為主控芯片,運(yùn)行處理速度較慢。可通過(guò)采用ARM作為主控芯片加強(qiáng)處理能力,增加視頻功能和互聯(lián)網(wǎng)接口,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。
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