基于Coaex-M3的智能家居電能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，全社會(huì)的信息化水平不斷提升。智能家居是物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用之一，已成為當(dāng)前的熱門研究領(lǐng)域，也是未來(lái)家居生活的發(fā)展方向 .它能夠?yàn)橛脩籼峁┦孢m、便利的生活環(huán)境。但由于市場(chǎng)上的相關(guān)產(chǎn)品大多價(jià)格昂貴，普及率依然較低。以往的探索與開(kāi)發(fā)往往停留在對(duì)電器設(shè)備本身的改造上，這種嘗試使智能家居產(chǎn)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(dòng)原有電器設(shè)備的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)控制功能。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　該電能控制系統(tǒng)由遙控器和插座節(jié)點(diǎn)組成，其工作原理如圖1所示。當(dāng)用戶在家時(shí)，通過(guò)遙控器以射頻方式對(duì)插座進(jìn)行控制。插座節(jié)點(diǎn)收到信號(hào)后，由微控制器進(jìn)行解碼，并根據(jù)得出的結(jié)果，對(duì)特定編號(hào)的插座做通斷電處理，從而使與其連接的用電器被啟動(dòng)或者關(guān)閉。當(dāng)用戶離住所較遠(yuǎn)時(shí)，可通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)向遙控器發(fā)送手機(jī)短信 ,微控制器讀取信息后，通過(guò)射頻芯片，將信息傳遞到室內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)而使相應(yīng)地址上的插座受到控制。由此可見(jiàn)，遙控器在整個(gè)智能家居系統(tǒng)中屬于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn) ,一方面，它與插座節(jié)點(diǎn)組成了室內(nèi)射頻局域網(wǎng)，另一方面，它又與GSM網(wǎng)絡(luò)相連，延展了遙控距離。遙控器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括溫濕度檢測(cè)電路、時(shí)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(gòu)，由于依托高密度的Thumb-2指令集，內(nèi)存開(kāi)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(jié)構(gòu)框圖

　　插座節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)與遙控器的射頻通信以及繼電器的通斷控制，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。插座中的煙霧傳感器用于預(yù)防火災(zāi)危險(xiǎn)。一旦檢測(cè)到煙霧或可燃性氣體，插座上對(duì)應(yīng)的繼電器將斷開(kāi)，并通過(guò)射頻收發(fā)模塊向遙控器匯報(bào)，遙控器收到信息后，再通過(guò)GSM模塊的短信功能及時(shí)提醒用戶采取相應(yīng)的措施，防止危險(xiǎn)的發(fā)生或財(cái)產(chǎn)損失的進(jìn)一步擴(kuò)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(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 溫濕度檢測(cè)電路

　　本系統(tǒng)采用溫度傳感器LM35和濕度測(cè)量模塊CHM-02進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)。LM35的電壓輸出與攝氏溫度呈線性關(guān)系，無(wú)需校準(zhǔn)就可在常溫環(huán)境下達(dá)±l/4℃的測(cè)量精度。CHM-02模塊可在0~70 ℃的溫度下對(duì)20~95%RH范圍內(nèi)的濕度進(jìn)行檢測(cè)，室溫下的測(cè)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(hào)在MCU片內(nèi)A/D采樣電路的檢測(cè)范圍內(nèi)，所以直接將兩者的輸出端與MCU的兩個(gè)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(cè)電路

　　煙霧傳感器MQ一2基于SnO:的電化學(xué)特性，對(duì)可燃性氣體及煙塵有良好的檢測(cè)靈敏度。煙霧檢測(cè)電路原理圖如圖5所示。MQ.2在正常工作前需要對(duì)內(nèi)部加熱絲的H.h兩極通電預(yù)熱 ,為了防止加熱電流過(guò)大而導(dǎo)致內(nèi)部信號(hào)線溫度過(guò)高，此處將加熱絲與100 Q電阻串聯(lián)。當(dāng)環(huán)境中的煙霧或可燃?xì)怏w超過(guò)警戒閾值時(shí)，傳感器A.B兩極間的電導(dǎo)率迅速增加，與其串聯(lián)的負(fù)載電阻m所獲得的電壓也相應(yīng)增加，該電壓信號(hào)經(jīng)低功耗運(yùn)放TLC27M2放大后，得到與煙霧或可燃?xì)鉂舛认鄬?duì)應(yīng)的模擬量輸出，最終接人控制器的ADC模塊進(jìn)行量化。

　　圖5 煙霧檢測(cè)電路原理圖

　　2.3 時(shí)鐘模塊

　　時(shí)鐘模塊除了顯示系統(tǒng)時(shí)間以外，還可對(duì)單個(gè)插座進(jìn)行通斷電定時(shí)。時(shí)鐘電路原理圖如圖6所示，DS1302通過(guò)串行方式與MCU通信，為保證信號(hào)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(shí)可以對(duì)備用電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電;在掉電情況下啟動(dòng)備用電源，避免因突然停電而造成時(shí)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(gè)電源引腳之間通過(guò)二極管隔離。由于芯片耗電量很低，在更換電池的過(guò)程中，電容的放電作用可以暫時(shí)維持芯片運(yùn)行。

　　圖6 時(shí)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(gè)ISM頻段配置使用，且功耗很低。本系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)均設(shè)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(lái)連接特性阻抗為5O Ω的單端天線，有利于信號(hào)的全向輻射。單端天線又被稱為非平衡天線，其主要參考點(diǎn)為信號(hào)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(hào)平衡，保證兩個(gè)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(duì)芯片輸出端的特性進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　圖7 射頻收發(fā)電路

　　2.5 GSM通信模塊

　　將短距射頻網(wǎng)絡(luò)與GSM技術(shù)相結(jié)合，既發(fā)揮了短距射頻網(wǎng)絡(luò)配置靈活的特點(diǎn)，又發(fā)揮了GSM技術(shù)在通信距離上的優(yōu)勢(shì)。GSM通信電路的核心是SIM300模塊，其外圍電路如圖8所示。