于瑋+謝星+邢玉秀+陳建新+管圖華

摘 要： 針對當(dāng)前智能家居產(chǎn)品價格昂貴導(dǎo)致普及率不高的情況，設(shè)計了一種基于射頻網(wǎng)絡(luò)的智能家居電能控制系統(tǒng)。用戶可以通過按鍵觸發(fā)、短信通知及定時器設(shè)置3種方式對插座進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。當(dāng)室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或燃?xì)庑孤┑任ｋU情況時，插座可自行斷電，并同時向用戶發(fā)送短信警報。將室內(nèi)多個場景測試的誤碼率結(jié)果對比后，得出了遙控器最佳使用區(qū)域。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、性價比高。

關(guān)鍵詞： 智能家居； 短距射頻網(wǎng)絡(luò)； GSM； μC/OS?Ⅱ； 分段線性化

中圖分類號： TN911?34； TP872 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）04?0145?04

Electricity control system in smart home based on RF network

YU Wei1， XIE Xing1， XING Yu?xiu2， CHEN Jian?xin3， GUAN Tu?hua1

（1. Engineering Training Center， Nantong University， Nantong 226019， China； 2. Qinggong College， Hebei United University， Tangshan 063000， China；

3. School of Electronics and Information， Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract： In view of the status quo that the popularizing rate of smart home products remains low due to their expensive prices， an electricity control system in smart home based on radio frequency network is proposed in this paper. With the system， users can control the sockets remotely by key triggering， SMS sending and timer setting. The relative socket will turn off the power and send a message as an alarm to a certain user automatically when indoor fire， gas leakage or other dangerous situation occurs. Optimum area using the remote?controller was obtained after comparing results of the bit error rates tested in different indoor regions. The experimental results show that the system is stable in operation and has high performance cost ratio.

Keywords： smart home； short?range radio frequency network； GSM； μC/OS?Ⅱ； piecewise linearization

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，全社會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[1]。它能夠為用戶提供舒適、便利的生活環(huán)境。但由于市場上的相關(guān)產(chǎn)品大多價格昂貴，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[2]，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，它在不改動原有電器設(shè)備的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動控制功能。

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)點組成，其工作原理如圖1所示。當(dāng)用戶在家時，通過遙控器以射頻方式對插座進(jìn)行控制。插座節(jié)點收到信號后，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(guān)閉。當(dāng)用戶離住所較遠(yuǎn)時，可通過GSM網(wǎng)絡(luò)向遙控器發(fā)送手機(jī)短信[3]，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，遙控器在整個智能家居系統(tǒng)中屬于網(wǎng)關(guān)節(jié)點[4?5]，一方面，它與插座節(jié)點組成了室內(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 Cortex?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。

插座節(jié)點主要實現(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。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，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(yīng)的措施，防止危險的發(fā)生或財產(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1 遙控插座工作原理

圖2 遙控器結(jié)構(gòu)框圖

圖3 插座節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計

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)到±1/4 ℃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?2基于SnO2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[6]，為了防止加熱電流過大而導(dǎo)致內(nèi)部信號線溫度過高，此處將加熱絲與100 Ω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，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RL所獲得的電壓也相應(yīng)增加，該電壓信號經(jīng)低功耗運放TLC27M2放大后，得到與煙霧或可燃?xì)鉂舛认鄬?yīng)的模擬量輸出，最終接入控制器的ADC模塊進(jìn)行量化。

圖5 煙霧檢測電路原理圖

2.3 時鐘模塊

時鐘模塊除了顯示系統(tǒng)時間以外，還可對單個插座進(jìn)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?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；在掉電情況下啟動備用電源，避免因突然停電而造成時鐘停滯[7]?？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4 700 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。

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ISM頻段配置使用，且功耗很低。本系統(tǒng)中的所有節(jié)點均設(shè)置在433 MHz頻段工作[8]，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50 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/非平衡）電路，對芯片輸出端的特性進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖6 時鐘電路原理圖

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，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7 射頻收發(fā)電路

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，可以通過軟件改寫PWR端口的狀態(tài)來實現(xiàn)SIM300的自動復(fù)位。

圖8 GSM通信電路原理圖

3 軟件設(shè)計

遙控器和插座對于整個射頻無線網(wǎng)絡(luò)而言都是其中的節(jié)點，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)計的方式上有所差別。

3.1 遙控器節(jié)點程序設(shè)計

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。考慮到遙控器中采用的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)點中的多個任務(wù)進(jìn)行調(diào)度[9]，可有效保證系統(tǒng)的實時性和穩(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，每個功能對應(yīng)一個系統(tǒng)任務(wù)，同時應(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)點的程序流程如圖9所示，其中包含了7個任務(wù)，任務(wù)之間通過信號量、消息隊列、消息郵箱等方式實現(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。

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入的按鍵值，數(shù)據(jù)存入消息郵箱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；若時鐘設(shè)置按鍵被按下，則進(jìn)行時鐘調(diào)整或定時器設(shè)置。時鐘定時任務(wù)用于獲得DS1302的時鐘輸出值，在定時時間到達(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)編號的插座發(fā)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(fā)1次，重發(fā)3次后任務(wù)掛起。危險報警任務(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，進(jìn)而將信息送入郵箱，解碼確認(rèn)危險報警標(biāo)識后，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=1”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(guān)動作碼）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)、時鐘信息以及室內(nèi)溫濕度測量結(jié)果等。

圖9 遙控器節(jié)點程序流程圖

3.2 插座節(jié)點程序設(shè)計

插座節(jié)點程序流程如圖10所示，其中最主要的工作是實現(xiàn)射頻信號的接收與發(fā)送。當(dāng)沒有煙霧報警時，nRF905進(jìn)入接收模式，同時偵聽信道；若監(jiān)測到同頻載波且數(shù)據(jù)包地址有效，則啟動接收；當(dāng)CRC校驗結(jié)果正確，硬件會自行去除數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)碼、校驗碼及地址碼[10]，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。

射頻信號發(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，同時啟動芯片進(jìn)入射頻發(fā)送模式，隨后片內(nèi)硬件自動完成對數(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。

圖10 插座節(jié)點程序流程圖

4 測試與分析

在圖11所示住宅中進(jìn)行現(xiàn)場測試，6個插座和1個遙控器被放置于A到G這7個區(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。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遙控器在C、E兩個區(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，平均誤碼率最低，效果最好。

圖11 測試現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布圖

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了對家用插座的智能無線控制，在不改動原有家電內(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，插座能自動斷電。整個系統(tǒng)對控制對象沒有特殊要求，適應(yīng)性較強，不失為一種廉價的智能家居解決方案。

參考文獻(xiàn)

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圖9 遙控器節(jié)點程序流程圖

3.2 插座節(jié)點程序設(shè)計

插座節(jié)點程序流程如圖10所示，其中最主要的工作是實現(xiàn)射頻信號的接收與發(fā)送。當(dāng)沒有煙霧報警時，nRF905進(jìn)入接收模式，同時偵聽信道；若監(jiān)測到同頻載波且數(shù)據(jù)包地址有效，則啟動接收；當(dāng)CRC校驗結(jié)果正確，硬件會自行去除數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)碼、校驗碼及地址碼[10]，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。

射頻信號發(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，同時啟動芯片進(jìn)入射頻發(fā)送模式，隨后片內(nèi)硬件自動完成對數(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。

圖10 插座節(jié)點程序流程圖

4 測試與分析

在圖11所示住宅中進(jìn)行現(xiàn)場測試，6個插座和1個遙控器被放置于A到G這7個區(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。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遙控器在C、E兩個區(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，平均誤碼率最低，效果最好。

圖11 測試現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布圖

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了對家用插座的智能無線控制，在不改動原有家電內(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，插座能自動斷電。整個系統(tǒng)對控制對象沒有特殊要求，適應(yīng)性較強，不失為一種廉價的智能家居解決方案。

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圖9 遙控器節(jié)點程序流程圖

3.2 插座節(jié)點程序設(shè)計

插座節(jié)點程序流程如圖10所示，其中最主要的工作是實現(xiàn)射頻信號的接收與發(fā)送。當(dāng)沒有煙霧報警時，nRF905進(jìn)入接收模式，同時偵聽信道；若監(jiān)測到同頻載波且數(shù)據(jù)包地址有效，則啟動接收；當(dāng)CRC校驗結(jié)果正確，硬件會自行去除數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)碼、校驗碼及地址碼[10]，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。

射頻信號發(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，同時啟動芯片進(jìn)入射頻發(fā)送模式，隨后片內(nèi)硬件自動完成對數(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。

圖10 插座節(jié)點程序流程圖

4 測試與分析

在圖11所示住宅中進(jìn)行現(xiàn)場測試，6個插座和1個遙控器被放置于A到G這7個區(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。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遙控器在C、E兩個區(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，平均誤碼率最低，效果最好。

圖11 測試現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布圖

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了對家用插座的智能無線控制，在不改動原有家電內(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，插座能自動斷電。整個系統(tǒng)對控制對象沒有特殊要求，適應(yīng)性較強，不失為一種廉價的智能家居解決方案。

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