摘要：隨著人民生活水平的提高，對生活居所的環(huán)境品質(zhì)和安全提出了更高的要求，對家居環(huán)境溫濕度的監(jiān)測以及對瓦斯?jié)舛?、光強的監(jiān)測對人們的生活和安全有及其重要的作用，本文研究了基于NRF905的分散節(jié)點的多點傳輸無線監(jiān)測系統(tǒng)，較為詳細地介紹了該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理、硬件構(gòu)成、軟件設(shè)計和測試結(jié)果。本系統(tǒng)試驗運行良好可靠性高，且非常方便進行節(jié)點數(shù)擴展，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：NRF905；智能家居；節(jié)點；監(jiān)測；STC12C5A16S2

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2012） 18-0112-03

智能家居是利用先進的電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等，將家庭中各種與信息相關(guān)的通訊設(shè)備，家用電器和家庭保安裝置通過家庭總線技術(shù)（HBS）連接到一個家庭智能化系統(tǒng)上進行集中的或異地的監(jiān)視、控制和家庭事務(wù)性管理，并保持這些家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的有機地結(jié)合在一起的系統(tǒng)。智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，并且通過在家中建立的通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對家庭中的各種與信息相關(guān)的設(shè)備、家用電器及保安裝置，進行集中的或遠程的監(jiān)測和管理，使人們的生活更加安全、便利、舒適和符合環(huán)保。在日常生活和室內(nèi)商業(yè)活動中，為保證各項工作在某恒定的氣體濃度、溫度、濕度、光照等安全范圍內(nèi)進行，對溫濕度、光照度的監(jiān)測及控制具有極其重要的意義。

本系統(tǒng)設(shè)計一個基于NRF905的無線智能家居監(jiān)測系統(tǒng)，主要是在端節(jié)點采集氣體濃度、溫度、濕度、光照強度等相關(guān)信息，然后通過NRF905無線射頻模塊傳送相應(yīng)信息到主機，實時采集到的信息在主機和主人設(shè)定的預(yù)警值進行比較計算，如果超出預(yù)警閾值設(shè)定，則發(fā)出報警信號。

一、系統(tǒng)原理介紹

本系統(tǒng)主要由主機和端節(jié)點1、2、3構(gòu)成。主機主要包括微處理器模塊、LCD顯示模塊、時鐘模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊、NRF905無線射頻模塊、報警模塊和鍵盤設(shè)定模塊構(gòu)成，實現(xiàn)萬年歷時鐘實時顯示，并對各個端節(jié)點數(shù)據(jù)進行實時獲取到主機集中存儲和顯示，采集到的信息數(shù)據(jù)和主人設(shè)定的預(yù)警值進行比較計算，如果超出預(yù)警閾值設(shè)定，則蜂鳴器發(fā)出報警信號。

端節(jié)點主要包括無線射頻模塊、溫濕度采集模塊、溫度采集模塊、瓦斯?jié)舛葯z測模塊和光照采集模塊構(gòu)成。端節(jié)點1考慮為主臥室包括NRF905無線射頻模塊和溫濕度采集模塊，對采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送給主機；端節(jié)點2考慮為廚房主要包括NRF905無線射頻模塊、溫度采集模塊和瓦斯氣體濃度采集模塊，對采集到的溫度和瓦斯氣體濃度數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送給主機；端節(jié)點3考慮為客廳主要包括NRF905無線射頻模塊、光照采集模塊和溫濕度采集模塊，對采集到的溫濕度數(shù)據(jù)、光照強度數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送給主機。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

（1）主機微處理器。由于主機需要多個I/O口線與LCD顯示模塊、時鐘模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊、NRF905無線射頻模塊、報警模塊和鍵盤設(shè)定模塊進行連接，因此微處理器采用DIP40封裝的單片機STC12C5A16S2來實現(xiàn)。單片機STC12C5A16S2含有16K字節(jié)Flash閃速存儲器，1280字節(jié)內(nèi)部RAM，1個時鐘/機器周期，高速，高可靠，2路PWM，8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換，40個I/O口線，具有超強抗干擾性，寬電壓，不怕電源動。內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，外部復(fù)位電路可徹底省掉，也可繼續(xù)使用。

（2）顯示模塊。顯示模塊選擇主控為ST7920的帶字庫的LCD12864液晶顯示模塊來顯示信息。ST7920控制器的LCD產(chǎn)品可以提供8位，4位并行和串行三種工作接口，能夠顯示多數(shù)常用的漢字及ASCII碼，適用于各類儀小型設(shè)備的顯示領(lǐng)域，是比較常用的顯示器，為了節(jié)省對微處理器IO口的占用，我們采用LCD12864液晶顯示模塊串行工作模式，LCD12864串行液晶接口基本電路圖如圖2所示。

（3）主機時鐘和數(shù)據(jù)存儲模塊。主機采用DS1302時鐘芯片，DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器，使用非常方便。

數(shù)據(jù)存儲模塊采用AT24C256為主芯片，24C256是美國Atmel公司的低功耗CMOS型E2PROM內(nèi)含32K×8位存儲空間具有工作電壓寬（2.5-5.5V）、擦寫次數(shù)多（大于10000次）、寫入速度快（小于10ms）、抗干擾能力強、數(shù)據(jù)不易丟失、體積小等特點。而且他是采用了I2C總線式進行數(shù)據(jù)讀寫的串行器件占用很少的資源和IO線并且支持在線編程進行數(shù)據(jù)實時的存取十分方便。時鐘和數(shù)據(jù)存儲電路圖如圖3所示。

（4）鍵盤和主機報警設(shè)計模塊。鍵盤采用4個輕觸開關(guān)，有鍵按下時單片機對應(yīng)的IO口P20-P23某一個引腳得到低電平，通過對P20-P23的掃描判斷有哪一個鍵按下。報警模塊采用5V有源蜂鳴器外加三極管來驅(qū)動實現(xiàn)，當實際值超過設(shè)定的閾值時，P24輸出低電平，Q9導(dǎo)通，蜂鳴器響，實現(xiàn)報警功能。鍵盤設(shè)定和主機報警電路如圖4所示。

（一）NRF905無線射頻模塊

主機和端節(jié)點都需要配置NRF905模塊，NRF905是挪威NordicVLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9～3.6V，32引腳QFN封裝（5×5mm），工作于433/868/915MHz三個ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650us。NRF905由電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加濾波器，曼徹斯特編碼/解碼由片內(nèi)硬件完成，無需用戶對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11mA，工作于接收模式時的電流為12.5mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機模式，易于實現(xiàn)節(jié)能。

NRF905有兩種工作模式分別是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM發(fā)送模式。ShockBurstTM模式與射頻數(shù)據(jù)包有關(guān)的高速信號處理都在NRF905片內(nèi)進行，數(shù)據(jù)速率由微控制器配置的SPI接口決定，數(shù)據(jù)在微控制器中低速處理，但在NRF905中高速發(fā)送，因此中間有很長時間的空閑，這很有利于節(jié)能。由于NRF905工作于ShockBurstTM模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。在ShockBurstTM接收模式下，當一個包含正確地址和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包被接收到后，地址匹配（AM）和數(shù)據(jù)準備好（DR）兩引腳通知微控制器。在ShockBurstTM發(fā)送模式，NRF905自動產(chǎn)生字頭和CRC校驗碼，當發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。由以上分析可知，NRF905的ShockBurstTM收發(fā)模式有利于節(jié)約存儲器和微控制器資源，同時也減小了編寫程序的時間。

因NRF905工作電壓和微處理器工作電壓不同，因此NRF905射頻模塊與微處理器IO口之間串接1K電阻作為限流電阻。主機微處理器與NRF905射頻模塊之間的連接如下圖5。

（二）端節(jié)點硬件設(shè)計

端節(jié)點硬件系統(tǒng)微處理器主要采用STC5206AD，與之連接的主要包括NRF905無線射頻模塊、DHT11溫濕度采集模塊、DS18B20溫度采集模塊、MQ-5瓦斯?jié)舛葯z測模塊和光敏電阻光照采集模塊構(gòu)成。

（1）端節(jié)點微處理器。端節(jié)點因為所需要的IO口較少，但是需要進行模數(shù)轉(zhuǎn)換獲取數(shù)據(jù)，因此微處理器我們采用STC5206AD，端節(jié)點微處理器與NRF905模塊之間的連線同主機微處理器與NRF905模塊連接相同，見上圖5。

（2）DHT11溫濕度一體化采集模塊。DHT11是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標定的數(shù)字輸出。它采用專利的CMOSens技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件。并在同一芯片上14位的A＼D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。因此DHT11具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾、能力強、極高的性價比等優(yōu)點。每個傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進行標定以鏡面、冷凝式濕度計為參照。標準系數(shù)以程序形式存儲在OTP內(nèi)存中，在標定的過程中使用單總線的串行接口。

（3）溫度采集和瓦斯氣體檢測模塊。DS18B20數(shù)字溫度計是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。DS18B20的每個器件上都有獨一無二的序列號，實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫。測量溫度范圍在-55°到+125°之間，分辨率用戶可以從9位到12位選擇，精度非常高。

瓦斯氣體檢測我們采用MQ-5氣體傳感器，它使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。

MQ-5氣體傳感器對甲烷等可燃性氣體有較好的靈敏度，對乙醇，煙霧幾乎不響應(yīng)。它具有快速的響應(yīng)回復(fù)特性，長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性等優(yōu)點。廣泛適用于可燃性氣體監(jiān)測裝置。優(yōu)良的抗乙醇，煙霧干擾能力。通過微處理器STC5206AD片內(nèi)自帶的ADC采集獲取電壓VRL，根據(jù)傳感器內(nèi)阻計算公式RS為=（VCC/VRL-1）×RL，內(nèi)阻RS和瓦斯?jié)舛仍诔叵禄境示€性關(guān)系，因此經(jīng)過補償算法，可以通過計算出RS的大小測得瓦斯?jié)舛?。溫度采集和瓦斯氣體檢測模塊原理圖見圖7。

（4）溫濕度和光強度檢測模塊。溫濕度采集和第2小節(jié)介紹相同，這里不再復(fù)述。光強度檢測主要通過光敏電阻和一個固定電阻構(gòu)成分壓電路，光敏電阻的阻值根據(jù)接收到光的強弱而發(fā)生改變，分到的電壓就會發(fā)生變化，然后將得到的電壓送入P11進行ADC采集從而得到準確的光強度值。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于主機微處理器STC12C5A16S2和端節(jié)點微處理器STC5206AD內(nèi)核支持C51語言程序設(shè)計，故采用C語言進行軟件開發(fā)，是軟件具有可讀性強、可移植強的特點。主機初始化進行時鐘數(shù)據(jù)設(shè)定和NRF905參數(shù)設(shè)定，然后進行鍵盤掃描獲取預(yù)設(shè)值，接著往從機發(fā)送地址信號，對應(yīng)的端節(jié)點將會發(fā)出正確應(yīng)答信號，主機接收到應(yīng)答信號后，就可以進行數(shù)據(jù)接收，并通過校驗碼判定接收數(shù)據(jù)是否正確，如果數(shù)據(jù)不正確則重新發(fā)送地址信號進行數(shù)據(jù)重新接收，如果接收數(shù)據(jù)正確則進行數(shù)據(jù)存儲，并進行時鐘數(shù)據(jù)讀取和接收到的端節(jié)點數(shù)據(jù)在LCD12864的同時顯示，最后把接收到的數(shù)據(jù)和鍵盤設(shè)定的數(shù)據(jù)進行閾值判斷是否超限，如果超限則發(fā)出報警信號，如果不超限則返回重新進行。

端節(jié)點主要是在節(jié)點進行環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，并等待接收地址信號與主機握手，如接收的地址和本機地址溫和，則握手成功，之后就發(fā)送數(shù)據(jù)，主機接收到數(shù)據(jù)后進行校驗數(shù)據(jù)是否正確，如果數(shù)據(jù)不正確則端節(jié)點重新發(fā)送數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)正確則返回重新進行。主機程序流程圖見圖8，端節(jié)點程序流程圖見圖9。

四、測試結(jié)果

先給主機和端節(jié)點進行供電，調(diào)節(jié)某一信息的報警門限閾值，節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送給主機顯示，主機所將顯示的溫濕度、溫度、瓦斯?jié)舛燃肮庹諒姸葦?shù)據(jù)和實際終端儀器測試的進行對照，同時觀察期報警效果。光照部分我們根據(jù)室內(nèi)最大亮度100%電壓值和最暗亮度0%電壓值作為參照值，進行1000個刻度的劃分。因節(jié)點3的溫濕度測試情況和節(jié)點1大致相同，不再列表。

通過我們反復(fù)測量的數(shù)據(jù)可知，節(jié)點1由于DHT11本身測量精度的問題，整個測量數(shù)據(jù)還是存在誤差，這是由于DHT11器件本身問題導(dǎo)致，但數(shù)據(jù)誤差處于正常范圍之內(nèi)。節(jié)點2采用的DS18B20溫度數(shù)據(jù)誤差明顯小于DHT11的溫度采集數(shù)據(jù)。節(jié)點2的瓦斯?jié)舛群凸?jié)點3光照部分我們都是通過單片機內(nèi)部10位高精度AD采樣，達到千分之一的分辨率，達到較好的精度。從整體測量數(shù)據(jù)看，我們的結(jié)果是在預(yù)期范圍內(nèi)的，報警功能全部無誤，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測安全的要求。

五、結(jié)語

本系統(tǒng)具有人性化人機交互界面，操控簡單，采集溫濕度、瓦斯?jié)舛?、光強等多個節(jié)點，數(shù)據(jù)全面。由于NRF905是基于節(jié)點的射頻雙工通信系統(tǒng)，內(nèi)部有自己的地址和加密方式，很容易的實現(xiàn)對多點實時監(jiān)測，具有可無人值守，節(jié)約資源，可靠性高，成本低，便于擴展節(jié)點數(shù)等優(yōu)點，其監(jiān)測范圍可以在500米以內(nèi)，可以廣泛運用家居和室內(nèi)商業(yè)活動等需要進行環(huán)境監(jiān)控的場所。

參考文獻：

[1]楊加國.單片機原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[2]深圳宏晶科技.STC12C5A60S2產(chǎn)品選型手冊[Z]，2010.

[3]周洪，胡文山，張立明.智能家居控制系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2006.

[4]鄭君剛.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)智能家居報警系統(tǒng)設(shè)計[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，2：345-348.

[5]于昕梅，彭鶴挺.智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2009，1：58-60.

[作者簡介]陳海彬（1980.3-），男，福建漳平市人，本科，學(xué)士，助教，泉州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：自動化控制、嵌入式系統(tǒng)。