一種基于射頻網(wǎng)絡(luò)的智能家居電能控制系統(tǒng)

關(guān)鍵詞： 智能家居 , 短距射頻網(wǎng)絡(luò) , GSM , 分段線性化

        近年來，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。以往的探索與開發(fā)往往停留在對電器設(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)，通過遙控器以射頻方式對插座進(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，通過射頻芯片，將信息傳遞到室內(nèi)的無線網(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，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)。一旦檢測到煙霧或可燃性氣體，插座上對應(yīng)的繼電器將斷開，并通過射頻收發(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 溫濕度檢測電路
本系統(tǒng)采用溫度傳感器LM35和濕度測量模塊CHM-02進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測。LM35的電壓輸出與攝氏溫度呈線性關(guān)系，無需校準(zhǔn)就可在常溫環(huán)境下達(dá)±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(nèi)的濕度進(jìn)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(hào)在MCU片內(nèi)A/D采樣電路的檢測范圍內(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 煙霧檢測電路
煙霧傳感器MQ一2基于SnO：的電化學(xué)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(nèi)部加熱絲的H．h兩極通電預(yù)熱 ，為了防止加熱電流過大而導(dǎo)致內(nèi)部信號(hào)線溫度過高，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?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 ?？紤]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(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。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(hào)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(hù)。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(dāng)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(chǔ)上增加了一種三極管開關(guān)電路，當(dāng)模塊工作異常時(shí)，可以通過軟件改寫PWR端口的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)SIM300的自動(dòng)復(fù)位。




       

3 軟件設(shè)計(jì)
遙控器和插座對于整個(gè)射頻無線網(wǎng)絡(luò)而言都是其中的節(jié)點(diǎn)，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(shè)計(jì)的方式上有所差別。
3．1 遙控器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
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(wù)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(diǎn)中的多個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度 ，可有效保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，也有利于功能的擴(kuò)展。在進(jìn)行操作系統(tǒng)移植前，需要對任務(wù)進(jìn)行劃分，每個(gè)功能對應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)任務(wù)，同時(shí)應(yīng)避免劃分過細(xì)而導(dǎo)致頻繁調(diào)度的問題。遙控器節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖9所示，其中包含了7個(gè)任務(wù)，任務(wù)之間通過信號(hào)量、消息隊(duì)列、消息郵箱等方式實(shí)現(xiàn)同步與通信。從用戶的角度來看，這些任務(wù)是并發(fā)執(zhí)行的。

圖9 遙控器節(jié)點(diǎn)程序流程圖

按鍵掃描任務(wù)的優(yōu)先級在所有用戶任務(wù)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(wù)處理；若時(shí)鐘設(shè)置按鍵被按下，則進(jìn)行時(shí)鐘調(diào)整或定時(shí)器設(shè)置。時(shí)鐘定時(shí)任務(wù)用于獲得DS1302的時(shí)鐘輸出值，在定時(shí)時(shí)間到達(dá)后，發(fā)送消息通知射頻發(fā)送任務(wù)處理，完成后自動(dòng)掛起。射頻發(fā)送任務(wù)是根據(jù)其他任務(wù)中獲得的控制碼，以射頻方式對相應(yīng)編號(hào)的插座發(fā)送通斷電控制信號(hào)，隨后等待插座端返回動(dòng)作信息。若超時(shí)無反饋則重發(fā)1次，重發(fā)3次后任務(wù)掛起。危險(xiǎn)報(bào)警任務(wù)需經(jīng)過同頻載波檢測，地址匹配確認(rèn)后，才開始接收射頻信號(hào)，進(jìn)而將信息送人郵箱，解碼確認(rèn)危險(xiǎn)報(bào)警標(biāo)識(shí)后，通過GSM模塊，以短消息的方式通知用戶。短信接收任務(wù)負(fù)責(zé)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(hào)為1的短信息，成功提取控制碼(包含插座ID號(hào)和開關(guān)動(dòng)作碼)后，將該條信息刪除，并向射頻發(fā)送任務(wù)傳遞消息。環(huán)境監(jiān)測任務(wù)負(fù)責(zé)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(duì)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(wù)優(yōu)先級最低，待以上任務(wù)結(jié)束后，負(fù)責(zé)顯示各插座最終的狀態(tài)、時(shí)鐘信息以及室內(nèi)溫濕度測量結(jié)果等。

3．2 插座節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
插座節(jié)點(diǎn)程序流程如圖10所示，其中最主要的工作是實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的接收與發(fā)送。當(dāng)沒有煙霧報(bào)警時(shí)，nRF905進(jìn)入接收模式，同時(shí)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(dòng)接收；當(dāng)CRC校驗(yàn)結(jié)果正確，硬件會(huì)自行去除數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)碼、校驗(yàn)碼及地址碼 ，并通知MCU數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，進(jìn)而MCU通過SPI串行總線讀取接收到的信息。

圖1O 插座節(jié)點(diǎn)程序流程圖

射頻信號(hào)發(fā)送本質(zhì)上是接收的逆過程。當(dāng)nRF905進(jìn)入待機(jī)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(shí)啟動(dòng)芯片進(jìn)入射頻發(fā)送模式，隨后片內(nèi)硬件自動(dòng)完成對數(shù)據(jù)的打包、編碼、調(diào)制及發(fā)送任務(wù)。一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，射頻芯片轉(zhuǎn)入待機(jī)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(dòng)作。默認(rèn)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(dǎo)致系統(tǒng)誤判，煙霧檢測功能也可以設(shè)置為失效。



       

4 測試與分析
在圖11所示住宅中進(jìn)行現(xiàn)場測試，6個(gè)插座和1個(gè)遙控器被放置于A到G這7個(gè)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(gè)干擾源，頻率為432 MHz和434 MHz。改變遙控器所在位置，對6個(gè)插座各遙控200次，并記錄插座端的回饋信號(hào)。若返回錯(cuò)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(luò)節(jié)點(diǎn)分布圖

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遙控器在C、E兩個(gè)區(qū)域平均誤碼率略高于其他區(qū)域；當(dāng)遙控器在G區(qū)域時(shí)，平均誤碼率最低，效果最好。
5 結(jié)語
本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對家用插座的智能無線控制，在不改動(dòng)原有家電內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，用戶可以通過射頻、短信、定時(shí)等方式，控制插座的通斷電狀態(tài)。當(dāng)室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或可燃?xì)怏w泄漏等情況時(shí)，插座能自動(dòng)斷電。整個(gè)系統(tǒng)對控制對象沒有特殊要求，適應(yīng)性較強(qiáng)，不失為一種廉價(jià)的智能家居解決方案。