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產(chǎn)品無線通信的趨勢(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，用戶已經(jīng)超過7億。用短信方式給用戶發(fā)送信息要比通過計(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nRF24L01以無線方式組網(wǎng)，工作穩(wěn)定且無繁復(fù)的布線，能將緊急情況通過短信方式告知用戶。
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)開窗、通過短信可遠(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2.4 GHz無線模塊構(gòu)成星型結(jié)構(gòu)的無線微網(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)來的數(shù)據(jù)并通過無線微網(wǎng)絡(luò)控制各從機(jī)。此外主控機(jī)還通過液晶屏提供用戶操作界面和通過TC35模塊提供用戶短信控制接口。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)議開銷大。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來提供數(shù)據(jù)交互以組建無線微網(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)送端沒接收到應(yīng)答信號(hào)，則通過重發(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)行讀寫操作前,應(yīng)先將nRF24L01模式置為待機(jī)模式,然后才可通過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)來的信息的處理，將控制信號(hào)發(fā)往各個(gè)分機(jī)，并通過液晶提供用戶界面和通過GSM給用戶提供遠(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I/O口與STC89C52RC單片機(jī)通信控制GSM模塊。STC89C52RC單片機(jī)接收來自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,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SPI接口與nRF24L01連接,通過nRF24L01與各從機(jī)交互信息,并通過液晶屏顯示提供用戶的操作界面。
    為了提供用戶操作界面，采用液晶屏來顯示相關(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40PIN的ZIF連接器和用戶連接，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TC35的控制芯片，將結(jié)果處理后通過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、按鍵和無線模塊，如圖7。

    智能窗以STC12C2052AD單片機(jī)為控制器，通過雨水檢測(cè)、無線數(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。通過程序控制，可以實(shí)現(xiàn)在下雨時(shí)自動(dòng)關(guān)閉窗戶，防止雨水淋到室內(nèi)，在接收到室內(nèi)可燃?xì)怏w含量過高的報(bào)警信號(hào)時(shí)自動(dòng)打開窗戶，增加室內(nèi)的空氣流通，防止用戶由于吸到室內(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)通過檢測(cè)電壓來判斷是否有降雨。
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。
    電路主要通過調(diào)試可變電阻調(diào)節(jié)煙霧傳感器的靈敏度，通過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，立即通過無線模塊發(fā)送指令給主控板，主控板識(shí)別后通過無線模塊發(fā)送指令給智能窗，智能窗收到指令后，馬上打開窗戶，增加室內(nèi)空氣流通；通過控制STC89C51單片機(jī)控制GSM模塊發(fā)送警告信號(hào)到用戶指定的移動(dòng)終端告知用戶。
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特定波長(zhǎng)紅外線的濾光片，這個(gè)濾光片可通過光的波長(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門用作探測(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。就算是市面上的萬能遙控器也只是針對(duì)某幾樣產(chǎn)品，無法涵蓋全部。為了達(dá)到真正意義上的“萬能”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)過緩沖放大后通過紅外發(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，通過單片機(jī)定時(shí)器測(cè)量脈寬，然后將脈寬信息寫入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)過緩沖放大后通過紅外發(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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