基于Coaex-M3的智能家居電能控制系統(tǒng)設計

　　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(zhì)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(guān)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(wǎng)絡而言都是其中的節(jié)點，但硬件結(jié)構(gòu)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(diào)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(diào)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(diào)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(jīng)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(guān)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(nèi)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(jié)果為3次測量值的算術(shù)平均值。液晶顯示任務優(yōu)先級最低，待以上任務結(jié)束后，負責顯示各插座最終的狀態(tài)、時鐘信息以及室內(nèi)溫濕度測量結(jié)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(jié)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(zhì)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(nèi)硬件自動完成對數(shù)據(jù)的打包、編碼、調(diào)制及發(fā)送任務。一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，射頻芯片轉(zhuǎn)入待機模式，等待下一次被激活。射頻電路的每一次接收或發(fā)送過程都伴隨著繼電器的接通或斷開動作。默認條件下，煙霧傳感器處于使能狀態(tài)，為了防止用戶在室內(nèi)抽煙而導致系統(tǒng)誤判，煙霧檢測功能也可以設置為失效。

　　4 測試與分析

　　在圖11所示住宅中進行現(xiàn)場測試，6個插座和1個遙控器被放置于A到G這7個區(qū)域內(nèi)。為了評估系統(tǒng)的抗干擾能力，在各區(qū)域的交界處均放置兩個干擾源，頻率為432 MHz和434 MHz.改變遙控器所在位置，對6個插座各遙控200次，并記錄插座端的回饋信號。若返回錯誤信息或不反饋，則作為一次丟包記錄。

　　圖11 測試現(xiàn)場網(wǎng)絡節(jié)點分布圖

　　結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遙控器在C、E兩個區(qū)域平均誤碼率略高于其他區(qū)域;當遙控器在G區(qū)域時，平均誤碼率最低，效果最好。

　　5 結(jié)語

　　本系統(tǒng)實現(xiàn)了對家用插座的智能無線控制，在不改動原有家電內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎上，用戶可以通過射頻、短信、定時等方式，控制插座的通斷電狀態(tài)。當室內(nèi)發(fā)生火災或可燃氣體泄漏等情況時，插座能自動斷電。整個系統(tǒng)對控制對象沒有特殊要求，適應性較強，不失為一種廉價的智能家居解決方案。