周 曉，張春生，張希文，牟曉波，李英雪

(塔里木油田天然氣事業(yè)部，新疆庫爾勒841000)

在智能家居中，數(shù)字家庭網(wǎng)絡是安裝在家居中的一種通訊平臺，它具有一般通訊網(wǎng)絡所應具有的特點，同時考慮到它所安裝的地點是普通的私人家居和使用者是普通居民，所以它還具有自身獨有的需求和特點，包括安全性、可用性、可靠性、靈活性、易擴展性，使用的方便性、廉價性、標準化以及體積小、重量輕和安裝方便等。智能家居系統(tǒng)中家庭網(wǎng)絡技術主要分為兩類，一種是有線家庭網(wǎng)絡技術，另一種為無線家庭網(wǎng)絡技術。

隨著無線通信技術的發(fā)展，無線網(wǎng)絡比有線網(wǎng)絡具有通信范圍不受環(huán)境條件限制、網(wǎng)絡建設周期短、施工成本低、易于維護、可擴展性好等無可比擬的優(yōu)點，使其逐漸取代有線網(wǎng)絡，成為智能家居網(wǎng)絡系統(tǒng)組網(wǎng)的首選。

1 智能家居系統(tǒng)結構

本設計主要由溫度檢測單元，門鎖開關檢測單元，通風換氣電機控制單元，電氣開關集中控制等單元構成;各單元通過無線技術組網(wǎng)，實現(xiàn)集中控制;無線網(wǎng)絡的組建部分采用了令牌環(huán)拓撲結構方式，能避免多個905模塊對信道的競爭和沖突，主控單元是在無線組網(wǎng)的基礎上，實現(xiàn)對各個單元運行狀態(tài)的監(jiān)測和控制。用戶還可通過Internet/GPRS遠程訪問智能家居控制系統(tǒng)，查看和控制其中的設備，系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

2 智能家居單元的無線組網(wǎng)

由于nRF905射頻芯片本身是不帶組網(wǎng)協(xié)議，為了使智能家居中的中央控制單元和各個控制節(jié)點構成一個完整的通訊網(wǎng)絡，并使系統(tǒng)在每一時刻最多有一個設備(含主控單元)進行數(shù)據(jù)發(fā)送(避免信道的競爭和沖突)，就需要編寫協(xié)議。設計中nRF905無線網(wǎng)絡組網(wǎng)方式采用令牌環(huán)總線方式［1］。

2.1 系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式

系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式定義如表1所示:

表1 905網(wǎng)絡的通訊格式

目的節(jié)點地址(4字節(jié)):該字段是數(shù)據(jù)所要發(fā)送到的節(jié)點地址，接收端通過識別該字段來判斷是否是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)。

源節(jié)點地址(4字節(jié)):該字段是發(fā)送節(jié)點的地址，接收端通過識別該字段來判斷是誰發(fā)來的數(shù)據(jù)。

令牌標志(1字節(jié)):用于判斷接收到的幀是令牌、令牌回復還是普通數(shù)據(jù)幀。

幀體(27字節(jié)):該字段信息為有效數(shù)據(jù)。

幀校驗(1字節(jié)):發(fā)送節(jié)點利用循環(huán)冗余碼(CRC)計算一個幀校驗序列，并將結果存入該字段。

2.2 令牌環(huán)總線的實現(xiàn)過程

令牌環(huán)的總線結構是總線在網(wǎng)絡拓撲方面的描述，總線中各節(jié)點在物理連接上是總線結構，在邏輯上引入令牌。每個節(jié)點在邏輯序列中被指定一個邏輯位置，序列中最后一個節(jié)點和第一個節(jié)點形成一個邏輯環(huán)路。每個節(jié)點知道它的前一節(jié)點和后一節(jié)點的地址。擁有令牌的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀，直到數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢或令牌持續(xù)時間到，節(jié)點才會把令牌傳給網(wǎng)絡上與此節(jié)點邏輯上緊密相連的下一節(jié)點。如果此節(jié)點沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則它把令牌傳給再下一節(jié)點，繼任節(jié)點的物理位置并不重要，可以是總線上除了本節(jié)點外的任意一個。因為在任意時刻僅有一個節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀不會發(fā)生沖突，如果擁有令牌的節(jié)點故障，無法將令牌傳遞給它的繼任者，則規(guī)定令牌更新的最大時限，使節(jié)點動態(tài)地退出總線邏輯隊列，并由該節(jié)點的上一節(jié)點重新產生令牌，依序傳遞給下一節(jié)點。

3 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)單元模塊電路設計

3.1 溫度檢測單元

Dalla半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器為“一線總線”式溫度傳感器，一線總線的特點方便用戶組建傳感器網(wǎng)絡，新一代的ds18b20體積更小，更經濟、靈活;其溫度測量范圍為－55℃ ～+125℃;精度為±0.5℃;現(xiàn)場溫度以一線總線的數(shù)字方式傳輸，提高了系統(tǒng)的抗干擾特性，同時可使用便攜式電源，接口電路少，安裝方便［3］。溫度檢測單元電路如圖2所示。

圖2 溫度檢測單元電路圖

3.2 門禁開關檢測單元

國內普通居民住房門鎖一般為機械鎖，本身沒有門鎖開關控制電路，為能有效檢測出門的開關狀態(tài)，本單元使用常見的紅外檢測方式。但針對普通的紅外安防系統(tǒng)沒有紅外編碼校驗功能，容易被另外的紅外光源干擾而失去作用，設計加入紅外編碼和校驗電路。通過對不同用戶設置不同的校驗碼(類似于每把鎖有不同的鑰匙)來加強紅外門禁檢測單元的安全性。另外，為減少紅外發(fā)送的功耗，本單元添加由定時器555構成的多諧振蕩器，可設置紅外檢測的周期(如300 ms)，以延長系統(tǒng)電源的使用壽命。

3.3 通風換氣控制單元

單相感應電機具有結構簡單，價格低廉，運行可靠及維護使用方便等一系列優(yōu)點，只需單相交流電源供電，因而被廣泛應用在小型機床，輕工設備、商業(yè)機械、食品加工機械、家用電器、日用機電用具等。如家用的電風扇，洗衣機，空調等都使用單相感應電機驅動工作。

通風換氣控制單元沒有專門設計單相電機的速度調節(jié)驅動電路，而是直接采用了常見的具有分檔調速電路的電風扇模塊控制風機運行［2］。

4 智能家居主控單元軟件設計

智能家居主控單元的軟件設計分為5個部分:nRF905通訊網(wǎng)絡的控制;紅外遙控集中控制器的響應;與PC機信息交互;家居系統(tǒng)設置及重要運行參數(shù)的記錄;家居內部環(huán)境的自動檢測控制和各模塊之間的協(xié)調工作。主控單元在拓撲結構上只是nRF905通訊網(wǎng)絡中一個普通節(jié)點，也參與到整個令牌環(huán)的循環(huán)傳遞;但其在令牌環(huán)中的地位來看是令牌環(huán)中中央控制節(jié)點，負責令牌的檢測和維護?；诹钆苽鬟f的網(wǎng)絡是一種延時相對確定的網(wǎng)絡，在發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀之前的最大等待時間可以由令牌平均周期時間確定。這樣每個節(jié)點得到發(fā)送權的間隔時間是大致相等的，從而在很大程度上將隨機時延轉換成確定性的時間延遲。這樣，主控單元可預知令牌環(huán)傳遞的最大周期，若超出最大周期仍未獲得令牌，則判定令牌丟失，重新建立新的令牌。

5 結束語

nRF905通訊模塊在本系統(tǒng)中擔任著至關重要的角色，它是智能家居系統(tǒng)協(xié)調可靠工作的最基本保障，在測試期間發(fā)現(xiàn)，最小功耗模式下室內距離30 m時通訊正常，基本滿足智能家居系統(tǒng)需要;若住宅布局比較復雜，則需要加大905的發(fā)射功率。實際應用結果證明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，安裝方便，可滿足智能家居控制系統(tǒng)需求。

［1］朱穎莉.基于nRF24L01的礦井無線傳輸系統(tǒng)的設計［J］.科技廣場，2008，(10):194 －196.

［2］陳曦.智能家居控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.國外電子元器件，2003，(11):5 －7.

［3］賈振國.DS1820及高精度溫度測量的實現(xiàn)［J］.電子技術應用，2000(3):58－59.