基于射頻網絡的智能家居電能控制系統(tǒng)

　　近年來，物聯(lián)網技術發(fā)展迅速，全社會的信息化水平不斷提升。智能家居是物聯(lián)網的主要應用之一，已成為當前的熱門研究領域，也是未來家居生活的發(fā)展方向 .它能夠為用戶提供舒適、便利的生活環(huán)境。但由于市場上的相關產品大多價格昂貴，普及率依然較低。以往的探索與開發(fā)往往停留在對電器設備本身的改造上，這種嘗試使智能家居產品一度成為奢侈品。本文介紹了一種電能控制系統(tǒng)，作為智能家居的重要組成部分，它在不改動原有電器設備的基礎上實現(xiàn)了遠程自動控制功能。

　　1 系統(tǒng)結構

　　該電能控制系統(tǒng)由遙控器和插座節(jié)點組成，其工作原理如圖1所示。當用戶在家時，通過遙控器以射頻方式對插座進行控制。插座節(jié)點收到信號后，由微控制器進行解碼，并根據(jù)得出的結果，對特定編號的插座做通斷電處理，從而使與其連接的用電器被啟動或者關閉。當用戶離住所較遠時，可通過GSM網絡向遙控器發(fā)送手機短信 ,微控制器讀取信息后，通過射頻芯片，將信息傳遞到室內的無線網絡中，進而使相應地址上的插座受到控制。由此可見，遙控器在整個智能家居系統(tǒng)中屬于網關節(jié)點 ,一方面，它與插座節(jié)點組成了室內射頻局域網，另一方面，它又與GSM網絡相連，延展了遙控距離。遙控器的內部結構如圖2所示，包括溫濕度檢測電路、時鐘模塊、nRF905射頻收發(fā)模塊、GSM模塊等功能電路，這些模塊均與控制核心LM3S811相連。該微控制器采用ARM Coaex-M3架構，由于依托高密度的Thumb-2指令集，內存開銷大大降低，操作系統(tǒng)的移植也更加方便。

　　圖1 遙控插座工作原理

　　圖2 遙控器結構框圖

　　插座節(jié)點主要實現(xiàn)與遙控器的射頻通信以及繼電器的通斷控制，其結構框圖如圖3所示。插座中的煙霧傳感器用于預防火災危險。一旦檢測到煙霧或可燃性氣體，插座上對應的繼電器將斷開，并通過射頻收發(fā)模塊向遙控器匯報，遙控器收到信息后，再通過GSM模塊的短信功能及時提醒用戶采取相應的措施，防止危險的發(fā)生或財產損失的進一步擴大。由于插座端工作量較少，從成本和性能兩方面考慮，本系統(tǒng)采用STC12C5620AD微控制器作為插座端的主控芯片。

　　圖3 插座節(jié)點結構框圖

　　2 硬件電路設計

　　2.1 溫濕度檢測電路

　　本系統(tǒng)采用溫度傳感器LM35和濕度測量模塊CHM-02進行環(huán)境監(jiān)測。LM35的電壓輸出與攝氏溫度呈線性關系，無需校準就可在常溫環(huán)境下達±l/4℃的測量精度。CHM-02模塊可在0~70 ℃的溫度下對20~95%RH范圍內的濕度進行檢測，室溫下的測量精度為5%RH.溫濕度傳感器與MCU的接口示意圖如圖4所示。由于兩種傳感器輸出的模擬信號在MCU片內A/D采樣電路的檢測范圍內，所以直接將兩者的輸出端與MCU的兩個ADC引腳連接。模擬式傳感器的使用不但充分利用了控制器的片上資源，而且提高了子程序的利用率。

　　圖4 溫濕度傳感器與MCU的接口示意圖

　　2.2 煙霧檢測電路

　　煙霧傳感器MQ一2基于SnO:的電化學特性，對可燃性氣體及煙塵有良好的檢測靈敏度。煙霧檢測電路原理圖如圖5所示。MQ.2在正常工作前需要對內部加熱絲的H.h兩極通電預熱 ,為了防止加熱電流過大而導致內部信號線溫度過高，此處將加熱絲與100 Q電阻串聯(lián)。當環(huán)境中的煙霧或可燃氣體超過警戒閾值時，傳感器A.B兩極間的電導率迅速增加，與其串聯(lián)的負載電阻m所獲得的電壓也相應增加，該電壓信號經低功耗運放TLC27M2放大后，得到與煙霧或可燃氣濃度相對應的模擬量輸出，最終接人控制器的ADC模塊進行量化。

　　圖5 煙霧檢測電路原理圖

　　2.3 時鐘模塊

　　時鐘模塊除了顯示系統(tǒng)時間以外，還可對單個插座進行通斷電定時。時鐘電路原理圖如圖6所示，DS1302通過串行方式與MCU通信，為保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，接口已做上拉處理。芯片采用雙電源供電，主電源正常工作時可以對備用電源進行涓細電流充電;在掉電情況下啟動備用電源，避免因突然停電而造成時鐘停滯 .考慮到使用的便捷性，遙控器由鋰電池供電。DS1302的主電源引腳VCC2連接到集成穩(wěn)壓器的3.3 V輸出，而備用電源引腳VCC1與4700 μF的電容串接，兩個電源引腳之間通過二極管隔離。由于芯片耗電量很低，在更換電池的過程中，電容的放電作用可以暫時維持芯片運行。

　　圖6 時鐘電路原理圖

　　2.4 射頻收發(fā)模塊nRF905

　　射頻收發(fā)模塊是連接插座與遙控器的橋梁。nRF905集成收發(fā)器能在3個ISM頻段配置使用，且功耗很低。本系統(tǒng)中的所有節(jié)點均設置在433 MHz頻段工作嘲，射頻收發(fā)電路原理圖如圖7所示，其中的SMA接口用來連接特性阻抗為5O Ω的單端天線，有利于信號的全向輻射。單端天線又被稱為非平衡天線，其主要參考點為信號地，而nRF905的天線接口(引腳ANT1和ANT2)為差分射頻輸出端口。為了維持信號平衡，保證兩個端口的阻抗匹配，此處在兩者之間增加了balun(平衡月乍平衡)電路，對芯片輸出端的特性進行調節(jié)。

　　圖7 射頻收發(fā)電路

　　2.5 GSM通信模塊

　　將短距射頻網絡與GSM技術相結合，既發(fā)揮了短距射頻網絡配置靈活的特點，又發(fā)揮了GSM技術在通信距離上的優(yōu)勢。GSM通信電路的核心是SIM300模塊，其外圍電路如圖8所示。　　

　　圖8 GSM通信電路原理圖

　　原理圖SIM300通過串口與MCU通信，模塊與SIM卡之間串聯(lián)的22 Ω電阻用于阻抗匹配。為保證信號的傳輸質量，SIM卡數(shù)據(jù)線作了上拉處理，與引腳并聯(lián)的SMF05C型靜電抑制器用于靜電防護。電源與地之間并聯(lián)的100 μF鉭電容和1 μF陶瓷電容用于去除低頻毛刺，并在一定程度上兼顧了高頻特性。按下按鍵S1,使PWRKEY引腳的電位拉低約2 s左右，可以完成模塊的上電與掉電，當前狀態(tài)由串聯(lián)在VDD_EXT引腳上的發(fā)光二極管指示。為了便于程序控制，在原有按鍵的基礎上增加了一種三極管開關電路，當模塊工作異常時，可以通過軟件改寫PWR端口的狀態(tài)來實現(xiàn)SIM300的自動復位。

　　3 軟件設計

　　遙控器和插座對于整個射頻無線網絡而言都是其中的節(jié)點，但硬件結構上的差異決定了兩者功能與地位上的不同，也使得兩者在軟件設計的方式上有所差別。

　　3.1 遙控器節(jié)點程序設計

　　遙控器是系統(tǒng)的控制核心，也是用戶與插座之間聯(lián)系的紐帶，因此程序中的并發(fā)模塊多，任務繁重?？紤]到遙控器中采用的ARM處理器可提供對操作系統(tǒng)的全面支持，利用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)對該節(jié)點中的多個任務進行調度 ,可有效保證系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性，也有利于功能的擴展。在進行操作系統(tǒng)移植前，需要對任務進行劃分，每個功能對應一個系統(tǒng)任務，同時應避免劃分過細而導致頻繁調度的問題。遙控器節(jié)點的程序流程如圖9所示，其中包含了7個任務，任務之間通過信號量、消息隊列、消息郵箱等方式實現(xiàn)同步與通信。從用戶的角度來看，這些任務是并發(fā)執(zhí)行的。

　　圖9 遙控器節(jié)點程序流程圖

　　按鍵掃描任務的優(yōu)先級在所有用戶任務中最高。通過中斷方式讀取用戶輸人的按鍵值，數(shù)據(jù)存人消息郵箱KeyMbox中，若數(shù)字鍵1-6被按下，則通知射頻發(fā)送任務處理;若時鐘設置按鍵被按下，則進行時鐘調整或定時器設置。時鐘定時任務用于獲得DS1302的時鐘輸出值，在定時時間到達后，發(fā)送消息通知射頻發(fā)送任務處理，完成后自動掛起。射頻發(fā)送任務是根據(jù)其他任務中獲得的控制碼，以射頻方式對相應編號的插座發(fā)送通斷電控制信號，隨后等待插座端返回動作信息。若超時無反饋則重發(fā)1次，重發(fā)3次后任務掛起。危險報警任務需經過同頻載波檢測，地址匹配確認后，才開始接收射頻信號，進而將信息送人郵箱，解碼確認危險報警標識后，通過GSM模塊，以短消息的方式通知用戶。短信接收任務負責接收用戶短信，并將其存放在消息郵箱GSMMbox中。通過AT指令“AT+CMGR=I”每次只讀取序號為1的短信息，成功提取控制碼(包含插座ID號和開關動作碼)后，將該條信息刪除，并向射頻發(fā)送任務傳遞消息。環(huán)境監(jiān)測任務負責對室內溫濕度信息循環(huán)采樣。雖然溫度傳感器的線性度較好，但外界環(huán)境對濕度傳感器的影響較大，需對其輸出電壓值作分段線性化處理。數(shù)據(jù)存放于消息隊列中，最終結果為3次測量值的算術平均值。液晶顯示任務優(yōu)先級最低，待以上任務結束后，負責顯示各插座最終的狀態(tài)、時鐘信息以及室內溫濕度測量結果等。

　　3.2 插座節(jié)點程序設計

　　插座節(jié)點程序流程如圖10所示，其中最主要的工作是實現(xiàn)射頻信號的接收與發(fā)送。當沒有煙霧報警時，nRF905進入接收模式，同時偵聽信道;若監(jiān)測到同頻載波且數(shù)據(jù)包地址有效，則啟動接收;當CRC校驗結果正確，硬件會自行去除數(shù)據(jù)包的前導碼、校驗碼及地址碼 ,并通知MCU數(shù)據(jù)準備就緒，進而MCU通過SPI串行總線讀取接收到的信息。

　　圖1O 插座節(jié)點程序流程圖

射頻信號發(fā)送本質上是接收的逆過程。當nRF905進入待機模式后，MCU將地址與數(shù)據(jù)信息傳送至射頻芯片的發(fā)送寄存器，同時啟動芯片進入射頻發(fā)送模式，隨后片內硬件自動完成對數(shù)據(jù)的打包、編碼、調制及發(fā)送任務。一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結束后，射頻芯片轉入待機模式，等待下一次