關鍵詞： 智能家居 , 短距射頻網絡 , GSM , 分段線性化

        近年來，物聯網技術發展迅速，全社會的信息化水平不斷提升。智能家居是物聯網的主要應用之一，已成為當前的熱門研究領域，也是未來家居生活的發展方向 。它能夠為用戶提供舒適、便利的生活環境。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，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了遠程自動控制功能。
1 系統結構
該電能控制系統由遙控器和插座節點組成，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。插座節點收到信號后，由微控制器進行解碼，并根據得出的結果，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中屬于網關節點 ，一方面，它與插座節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

插座節點主要實現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，本系統采用STC12C5620AD微控制器作為插座端的主控芯片。

圖3 插座節點結構框圖





       

2 硬件電路設計
2.1 溫濕度檢測電路
本系統采用溫度傳感器LM35和濕度測量模塊CHM-02進行環境監測。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。當環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，為保證信號傳輸的穩定性，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 射頻收發模塊nRF905
射頻收發模塊是連接插座與遙控器的橋梁。nRF905集成收發器能在3個ISM頻段配置使用，且功耗很低。本系統中的所有節點均設置在433 MHz頻段工作嘲，射頻收發電路原理圖如圖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。

圖7 射頻收發電路


2．5 GSM通信模塊
將短距射頻網絡與GSM技術相結合，既發揮了短距射頻網絡配置靈活的特點，又發揮了GSM技術在通信距離上的優勢。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卡之間串聯的22 Ω電阻用于阻抗匹配。為保證信號的傳輸質量，SIM卡數據線作了上拉處理，與引腳并聯的SMF05C型靜電抑制器用于靜電防護。電源與地之間并聯的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，當前狀態由串聯在VDD_EXT引腳上的發光二極管指示。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端口的狀態來實現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 遙控器節點程序設計
遙控器是系統的控制核心，也是用戶與插座之間聯系的紐帶，因此程序中的并發模塊多，任務繁重。考慮到遙控器中采用的ARM處理器可提供對操作系統的全面支持，利用μC/OS-Ⅱ操作系統對該節點中的多個任務進行調度 ，可有效保證系統的實時性和穩定性，也有利于功能的擴展。在進行操作系統移植前，需要對任務進行劃分，每個功能對應一個系統任務，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同步與通信。從用戶的角度來看，這些任務是并發執行的。

圖9 遙控器節點程序流程圖

按鍵掃描任務的優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，數據存人消息郵箱KeyMbox中，若數字鍵1-6被按下，則通知射頻發送任務處理；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，發送消息通知射頻發送任務處理，完成后自動掛起。射頻發送任務是根據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1次，重發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，并向射頻發送任務傳遞消息。環境監測任務負責對室內溫濕度信息循環采樣。雖然溫度傳感器的線性度較好，但外界環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。數據存放于消息隊列中，最終結果為3次測量值的算術平均值。液晶顯示任務優先級最低，待以上任務結束后，負責顯示各插座最終的狀態、時鐘信息以及室內溫濕度測量結果等。

3．2 插座節點程序設計
插座節點程序流程如圖10所示，其中最主要的工作是實現射頻信號的接收與發送。當沒有煙霧報警時，nRF905進入接收模式，同時偵聽信道；若監測到同頻載波且數據包地址有效，則啟動接收；當CRC校驗結果正確，硬件會自行去除數據包的前導碼、校驗碼及地址碼 ，并通知MCU數據準備就緒，進而MCU通過SPI串行總線讀取接收到的信息。

圖1O 插座節點程序流程圖

射頻信號發送本質上是接收的逆過程。當nRF905進入待機模式后，MCU將地址與數據信息傳送至射頻芯片的發送寄存器，同時啟動芯片進入射頻發送模式，隨后片內硬件自動完成對數據的打包、編碼、調制及發送任務。一幀數據發送結束后，射頻芯片轉入待機模式，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，為了防止用戶在室內抽煙而導致系統誤判，煙霧檢測功能也可以設置為失效。



       

4 測試與分析
在圖11所示住宅中進行現場測試，6個插座和1個遙控器被放置于A到G這7個區域內。為了評估系統的抗干擾能力，在各區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 測試現場網絡節點分布圖

結果發現，遙控器在C、E兩個區域平均誤碼率略高于其他區域；當遙控器在G區域時，平均誤碼率最低，效果最好。
5 結語
本系統實現了對家用插座的智能無線控制，在不改動原有家電內部結構的基礎上，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。當室內發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。