無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

1、<p>　　無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討</p><p>　　[摘 要]本文主要研究了一種無(wú)線智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它基于nRF24L01無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸芯片，并使用 STC12C5A60S2 增強(qiáng)型 51 芯片起微型控制器的作用，用RS-232接口和nRF24L01提供的無(wú)線連接來(lái)掌控各部分相互的聯(lián)系和通信。本文對(duì)該系統(tǒng)分析之后又重點(diǎn)探討了本系統(tǒng)的總體架構(gòu)以及如何設(shè)計(jì)主要硬件模塊。 </p>

2、<p>　　[關(guān)鍵詞]無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸芯片；設(shè)計(jì)探討；接口 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TP203 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）26-0216-01 </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　智能家居系統(tǒng)是以住宅為平臺(tái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)把安防系統(tǒng)、家電、娛樂(lè)設(shè)施及照明設(shè)備實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)或者

3、遠(yuǎn)程控制等現(xiàn)代智能化家居環(huán)境。針對(duì)現(xiàn)代家居中譬如家用電器種類繁多，操作繁瑣以及難以科學(xué)管理等問(wèn)題，本文結(jié)合無(wú)線電通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制等技術(shù)，探討一種無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器協(xié)調(diào)統(tǒng)一地控制。 </p><p><b>　　一、概述 </b></p><p>　　現(xiàn)代科技迅猛發(fā)展，隨之而來(lái)的智能家居日漸強(qiáng)勢(shì)，以其新穎優(yōu)異的特性為當(dāng)今社會(huì)的人們的家

4、庭起居帶來(lái)了極大的方便和全新的理念，它注定代表著一種引領(lǐng)未來(lái)的趨勢(shì)。設(shè)計(jì)者開(kāi)發(fā)的家庭總線技術(shù)將把家用電器、通訊設(shè)備以及家庭保安裝備等多種和信息相關(guān)聯(lián)的智能家居連接到一個(gè)智能系統(tǒng)上，然后對(duì)其采取集中的或多分散地監(jiān)控與家務(wù)性質(zhì)的管理，同時(shí)還要保證這些智能的家庭設(shè)施跟現(xiàn)實(shí)中的居住環(huán)境相協(xié)調(diào)。其實(shí)，這些功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于智能家居控制系統(tǒng)中的家庭網(wǎng)絡(luò)控制器，家庭總線系統(tǒng)屬于這種家庭網(wǎng)絡(luò)控制器，并通過(guò)它來(lái)為使用者提供各種優(yōu)質(zhì)服務(wù)，同時(shí)居住地之外的

5、外部環(huán)境也與之相通連。換言之，智能住宅的核心就是智能家居系統(tǒng)，因此，智能家居系統(tǒng)在智能家庭中處于異常重要的地位。 </p><p>　　有線方式和無(wú)線方式是智能家居系統(tǒng)控制的兩種解決方法。因?yàn)榇蠖嘀悄芗揖酉到y(tǒng)在工程布線方面十分麻煩，因此很多智能家居公司就著眼于解決這個(gè)問(wèn)題來(lái)研發(fā)新的系統(tǒng)。伴隨著它的問(wèn)題是較差的保密性、接入設(shè)備甚為昂貴、很難滿足音頻與視頻信號(hào)的傳輸?shù)?，雖然這些難題直到目前還沒(méi)有得到真正的、完美的解決

6、，但是它終將伴隨著4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐漸成熟而得到更好的改善和應(yīng)用。即便價(jià)格稍微高一些，無(wú)線方式確實(shí)能很好地解決布線工程繁瑣的問(wèn)題，并且隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步必能滿足音頻信號(hào)與視頻信號(hào)的基本傳輸。接下來(lái)將以2.4G射頻技術(shù)作為基礎(chǔ)，介紹一種性價(jià)比較高的、性能相對(duì)完善的智能家居控制系統(tǒng)。 </p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)方案探討 </b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)

7、總體結(jié)構(gòu)及工作原理 </p><p>　　智能家居系統(tǒng)包含各家電設(shè)備和接口設(shè)備、主機(jī)和從機(jī)，主機(jī)和從機(jī)都具有一個(gè)無(wú)線收發(fā)芯片，主從機(jī)間通過(guò)收發(fā)無(wú)線數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建一種范圍較小的的無(wú)線智能網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)硬件是無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的三個(gè)主要組成部分。 </p><p>　　設(shè)計(jì)電路時(shí)的原則是要采用通用性、模塊化設(shè)備，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)參考OSI模型，同時(shí)結(jié)合nRF24L01芯片的

8、特質(zhì)。用一個(gè)系統(tǒng)主機(jī)來(lái)構(gòu)建，本系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心的，中心處理單元（CPU）的作用是處理系統(tǒng)的信號(hào)，選用集中控制技術(shù)作為控制方式，系統(tǒng)設(shè)備需要進(jìn)行硬件功能的劃分，各硬件模塊都具有雙向交互通信的能力、互換性和互相操作性，統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一接口，它們的控制部件都可以進(jìn)行編程，從而保證了模塊的實(shí)用性和通用性，有利于系統(tǒng)安全穩(wěn)定。 </p><p>　　nRF24L01（一種新型單片射頻收發(fā)器件），提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層

9、管理服務(wù)，定義了物理無(wú)線信道和MAC子層之間的接口。nRF24L01是一種2.4GHz單片射頻收發(fā)芯片，包含頻率調(diào)制器、合成器、晶體振蕩器等功能，采用FSK調(diào)制，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或是1對(duì)6無(wú)線通信。程序可以配置nRF24L01的輸出功率和通信頻道，有125個(gè)可選工作頻道，可用于跳頻，頻道切換時(shí)間短，通過(guò)跳頻可以減少干擾。對(duì)nRF24L01進(jìn)行信道參數(shù)配置是通過(guò)MCU通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)的，由nRF24L01來(lái)實(shí)施配置任務(wù)，然后發(fā)送大量數(shù)據(jù)包的指令由

10、主機(jī)完成，最后從機(jī)接收數(shù)據(jù)信息，整個(gè)過(guò)程從機(jī)和主機(jī)是借用空中接口來(lái)發(fā)送與接收數(shù)據(jù)信息包的，執(zhí)行MCU的指示任務(wù)，故才能完美地控制家電。圖l為系統(tǒng)總體框圖： </p><p>　　2.2 串口通信單元設(shè)計(jì) </p><p>　　STC12C5A60S2增強(qiáng)型51芯片有一組串行口接口，3根通信線連接便能實(shí)現(xiàn)較普通的串行通信，發(fā)送是TXD串行數(shù)據(jù)，接收是RXD串行數(shù)據(jù)，還有GND信號(hào)地線。 &l

11、t;/p><p>　　2.3 硬件電路設(shè)計(jì) </p><p>　　在2.4G網(wǎng)絡(luò)中控制中心節(jié)點(diǎn)如同協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，擁有節(jié)點(diǎn)的管理，2.4G網(wǎng)絡(luò)的建立等任務(wù)的功能。在本系統(tǒng)中，控制中心節(jié)點(diǎn)對(duì)接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)RS-232串口與PC機(jī)連接通信以及通過(guò)，以及鍵盤(pán)輸入和液晶顯示。 </p><p>　　2.4 無(wú)線收發(fā)模塊 </p><p>　　結(jié)合

12、硬件設(shè)計(jì)要求的多種因素，在智能家居設(shè)計(jì)中，采用的射頻片nRF2401是工作在2.4GHz頻段的。 </p><p>　　把功率放大器，頻率合成器，調(diào)制器以及晶體振蕩器這些功能模塊放置在芯片內(nèi)，使射頻片nRF2401在2.4～2.5GHzISM頻段內(nèi)工作，通過(guò)程序配置通信頻道和輸出功率。工作電流在接收時(shí)才18mA，在以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)也僅為10.5mA，芯片的能量損耗不高，多種低功率工作模式很大程度上方便了節(jié)

13、能方面的設(shè)計(jì)。nRF2401可以在使用同一天線的情況下，能夠兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)都能被同時(shí)接收，這是因?yàn)镈uoCeiverTM技術(shù)使它具有了這樣的優(yōu)點(diǎn)。 </p><p>　　2.5 傳感器電路設(shè)計(jì) </p><p>　　時(shí)鐘模塊、電源模塊、傳感器模塊、無(wú)線模塊構(gòu)成了主要的傳感器節(jié)點(diǎn)硬件。各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所發(fā)送過(guò)來(lái)的信息是由控制中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)nRF24L01無(wú)線模塊接收的，并通過(guò)串口模塊，把信息

14、發(fā)送到上位機(jī)，使用的人直接從上位機(jī)的軟件界面上獲取所有數(shù)據(jù)。 </p><p><b>　　三、結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　　本文總體設(shè)計(jì)了一種無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)控制器選用硬件電路中簡(jiǎn)單的增強(qiáng)型STC芯片，系統(tǒng)的安全性以及效率得到有效提高，數(shù)據(jù)傳輸是靠無(wú)線網(wǎng)路芯片nRF24L01來(lái)完成的。這個(gè)系統(tǒng)成本較低，使用方便，功耗超低，有良好的拓展性而且使用效

15、率高、穩(wěn)定可靠，集便于攜帶、更加開(kāi)放、便于協(xié)作、交互性強(qiáng)等優(yōu)秀特點(diǎn)于一身。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 黃盛.智能配電網(wǎng)通信業(yè)務(wù)需求分析及技術(shù)方案[J].電力系統(tǒng)通信，2010（6）：10-12； </p><p>　　[2] 木樹(shù)娟，黃銘，余江，等.智能電網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)分析及關(guān)鍵技術(shù)探討[J].電

16、力系統(tǒng)通信，2011，32（7）：76-80； </p><p>　　[3] 范寅秋，弭娟.無(wú)線專網(wǎng)技術(shù)在智能配網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2011，7（5）：1103-1108； </p><p>　　[4] 錢(qián)鋼，葉志軍，秦哲.基于EPON的配網(wǎng)通信技術(shù)研究[J].移動(dòng)通信，2013，37（18）：39-43； </p><p>　　[5] Flores