一种智能家居远程控制系统的硬件设计*

2011-08-13曾国敬何志辉

电子技术应用 2011年4期

曾国敬,宋跃,何志辉

(东莞理工学院电子工程学院，广东东莞 523808)

智能家居技术在近几年得到了较快的发展，但现有的设计大多采用有线组网的方式，布线繁复且不美观，采用315 MHz无线方式组网可减少布线,但315 MHz通信方式带宽窄且容易受干扰。2.4 GHz通信速率高且可通过跳频方式减少相互之间的干扰，在2.4 GHz应用芯片已经大量生产的今天，采用2.4 GHz的通信方式已成为家电类产品无线通信的趋势。

据统计，目前国内手机的使用已经极其普遍，用户已经超过7亿。用短信方式给用户发送信息要比通过计算机网络发送实时性更高。

nRF24L01是NORDIC公司设计的一款新型单片2.4 GHz射频收发器件，TC35是SIEMENS公司的一款 AT指令操作的GSM模块,操作简单。本文介绍一种基于nRF24L01和TC35的智能家居监控系统，它通过nRF24L01以无线方式组网，工作稳定且无繁复的布线，能将紧急情况通过短信方式告知用户。

1 系统结构

本系统由一个主控机和多个从机组成，集成的功能包括定时自动开关电器、下雨自动关窗、红外入侵检测报警、可燃气泄漏检测报警并自动开窗、通过短信可远程控制家里电器以及异常情况发送短信告知用户等。

系统结构框图如图1所示。主控机和多个从机通过2.4 GHz无线模块构成星型结构的无线微网络。主控机作为微网络的中央节点，各监测模块或控制执行模块作为从机节点通过微网络与主控机相连。主控机接收处理各从机发来的数据并通过无线微网络控制各从机。此外主控机还通过液晶屏提供用户操作界面和通过TC35模块提供用户短信控制接口。这种结构以主控机为中心，结构简单，管理和控制方便，网络延迟时间短，数据传输误差低，可靠性高。

图1 系统结构框图

2 系统设计

2.1 2.4 GHz无线微网络的组建

2.1.1 器件选择

通常的智能家居系统中使用的控制网络的组网方案分有线传输和无线传输两种方式。有线传输方式依靠电缆连接，优点是连接稳定，信息交换速率和效率高，但是需要布置专用线缆，布线麻烦，安装维护成本高，增减设备需重新布线，可移动性差且影响美观。在无线传输的方式中，包含315 MHz免执照频段、蓝牙技术和ZigBee技术。315 MHz免执照频段通信易受干扰,蓝牙技术和ZigBee技术成本高，且协议开销大。综合考虑以上因素，本设计采用NORDIC公司的2.4 GHz射频收发器件nRF24L01来提供数据交互以组建无线微网络。

nRF24L01是NORDIC公司生产的2.4 GHz单片射频收发芯片,采用FSK调制,内嵌NORDIC公司的 Enhanced Shock Burst协议，内置链路层，可实现点对点或是1对6无线通信。有125个可选工作频道，频道切换时间短，可用于跳频，通过跳频可以减少干扰。

2.1.2 nRF24L01模块接口设计

nRF24L01为SPI接口器件，与单片机的接口电路如图2所示。图2中，CE为模式控制端，CSN为片选端(低电平有效)，SCK为控制时钟线（SPI时钟），MOSI为主出从入数据线(Master Output Slave Input)，MISO为主入从出数据线(Master Input Slave Output)，IRQ为中断信号。电源电压通过AMS1117稳压为3.3 V后为nRF24L01供电。

图2 nRF24L01模块与单片机接口电路图

2.1.3 nRF24L01收发模式选择及操作流程

nRF24L01可选择的收发模式有Enhanced ShockBurst收发模式、ShockBurst收发模式和直接收发模式三种。Enhanced ShockBurst收发模式下，nRF24L01使用内嵌的双向链接协议，发送时自动生成前导码和CRC校验码，并等待应答信号，接收到数据时校验数据并发送应答信号。若数据丢失，发送端没接收到应答信号，则通过重发功能将数据恢复。本设计中采用Enhanced ShockBurst收发模式。

nRF24L01具体的操作流程如图3所示,在对nRF24L01进行读写操作前,应先将nRF24L01模式置为待机模式,然后才可通过SPI口对nRF24L01进行操作。

图3 nRF24L01操作流程

2.2 主控机的硬件设计

主控板的硬件结构如图4所示。

图4 主控机硬件结构框图

主控机完成对各分机发来的信息的处理，将控制信号发往各个分机，并通过液晶提供用户界面和通过GSM给用户提供远程操作接口。

由于主控机部分需要处理较多的数据，存储空间需求大，但对于接口方面要求不大，所以主控机的控制芯片使用STC89C58RD+单片机，其内部有32 KB的Flash、1 KB的RAM和16 KB的EEPROM，32 KB的Flash满足程序的下载空间，1 KB的RAM和16的EEPROM满足程序运行时数据的存储，节省了外部存储器。

主机通过I/O口与STC89C52RC单片机通信控制GSM模块。STC89C52RC单片机接收来自GSM模块的数据并处理后传至STC89C58RD+,把STC89C58RD+发送的指令处理后控制GSM模块把信息告知用户,这样设计减小了主控板上微处理器的工作负担,使系统的运行更流畅。

STC89C58RD+通过SPI接口与nRF24L01连接,通过nRF24L01与各从机交互信息,并通过液晶屏显示提供用户的操作界面。

为了提供用户操作界面，采用液晶屏来显示相关信息，液晶屏采用飞利浦的PCD8544液晶显示屏，PCD8544为 48×84点阵的LCD,可显示3行8列汉字。采用3.3 V供电。

要实现定时控制功能，则必须有一个实时时钟作为参考，且该时钟需要在掉电时还能继续运行。常用的实时时钟芯片有DS12887和 DS1302,为了降低成本，使用 DS1302时钟芯片作为实时时钟,将3 V锂电池接至DS1302的后备电源脚VCC1作为后备电源，以提供在断电时时钟的正常运行。

用DS18B20作为环境温度传感，为了给DS18B20的数据口提供足够的上拉电流,用4.7 kΩ的电阻上拉到 5 V电源。

2.3 GSM部分

GSM部分采用SIEMENS的TC35模块作为GSM无线通信模块，使用STC89C52RC作为控制芯片。TC35模块中包括完整的RF电路和GSM基带处理器，基带处理器处理模块内所有的信号和数据传输，并且通过内部软件运行所有的GSM协议，最终以UART串口形式提供对外接口。TC35模块通过40PIN的ZIF连接器和用户连接，提供包括电源接口、串行数据接口和SIM卡接口在内的多个应用接口。

2.3.1 TC35供电设计

TC35的工作电压输入端VBATT+,电压范围为3.3 V～5.5 V，最大工作电流Imax可达2 A。工作时，最大的电源电压掉落不能超过400 mV，否则TC35将认为电源供电不足，自动复位而停止工作。

由于VBATT+引脚的峰值电流可达到2 A,而且由于连接TC35模块的扁平柔性连线的内在固有阻抗的存在，当一个GSM发射脉冲到来时,可能会引起相当大的电压跌落。为了保证TC35在工作时电压跌落值在400 mV之内，采用尽可能短的连接模块和ZIF座的扁平柔性FFC电缆及低输出阻抗的电源。

如图5,稳压芯片采用最大电流可达3 A的单片稳压芯片LM2576-Adj，以给TC35提供充足的电源。由U1、D2、L1、R1、R2 构成的稳压电路稳压给 TC35 供电。由于LM2576的基准电压为 1.23 V，R1和 R2分别取5.1 kΩ 和 2 kΩ，则:

最终以4.37 V给TC35供电。

2.3.2 TC35控制接口电路

用STC89C52RC作为TC35的控制芯片，将结果处理后通过4根I/O口与主控板通信，减少主控部分的运行负担。

STC89C52RC通过串口操作TC35，TC35接口电平为2.5 V左右，为了加强抗干扰能力和方便在PC上调试，使用MAX232作为电平转换，转换为RS232电平,如图6。STC89C52RC再通过转换后的电平与TC35通信。

图6 TC35电平转换电路

2.4 从机设计

2.4.1 智能窗设计

智能窗部分包括电机控制电路、降雨检测模块、红外入侵模块、按键和无线模块，如图7。

图7 智能窗硬件结构框图

智能窗以STC12C2052AD单片机为控制器，通过雨水检测、无线数据检测、红外入侵检测实时采集现场环境数据从而确定单片机是否要执行某个动作。通过程序控制，可以实现在下雨时自动关闭窗户，防止雨水淋到室内，在接收到室内可燃气体含量过高的报警信号时自动打开窗户，增加室内的空气流通，防止用户由于吸到室内的可燃气体而中毒，并能预防火灾的发生。此外该窗户的红外入侵检测模块可以检测是否有人非法闯入。

雨水检测模块由PCB板制成，连接至STC2052AD的A/D转换口,单片机通过检测电压来判断是否有降雨。

2.4.2可燃气检测设计

本系统采用MQ-2传感器。该传感器加热电源为5.0 V±0.2 V，加热功耗不到 900 mW，因此无需另外提供电源。MQ-2气体传感器由微型AL203陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。

电路主要通过调试可变电阻调节烟雾传感器的灵敏度，通过STC12C2052AD单片机进行A/D采样及处理。如果检测到有可燃气体，立即通过无线模块发送指令给主控板，主控板识别后通过无线模块发送指令给智能窗，智能窗收到指令后，马上打开窗户，增加室内空气流通；通过控制STC89C51单片机控制GSM模块发送警告信号到用户指定的移动终端告知用户。

2.4.3 红外入侵检测设计

本系统的入侵检测采用热释电被动式红外传感器，该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿，使传感器对环境背景辐射的干扰不敏感。在它的辐射照面覆盖有只能透过特定波长红外线的滤光片，这个滤光片可通过光的波长范围为7～10 μm，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其他波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器，使环境的干扰受到明显的控制作用。传感器外面加上菲泥尔，可以加强敏感度。

2.4.4 学习型红外遥控设计

本设计包含对空调等红外电器的遥控，红外遥控在家电产品中有广泛应用，但是由于存在红外编码方式，各产品的遥控器不兼容。就算是市面上的万能遥控器也只是针对某几样产品，无法涵盖全部。为了达到真正意义上的“万能”遥控，就必须采用学习型遥控方式。

红外学习遥控由单片机进行脉宽采样并记录，由单片机产生38 kHz的载波，经过缓冲放大后通过红外发射管发射出去。

红外脉宽的采样采用一体化红外接收头接收，通过单片机定时器测量脉宽，然后将脉宽信息写入EEPROM存储，发送编码时，由单片机产生38 kHz的载波，脉宽调制后经过缓冲放大后通过红外发射管发射出去。

为此,红外学习遥控器由STC12C2052AD单片机作为控制芯片，STC12C2052AD内部集成了10 KB的EEPROM用以存储红外编码，定时器的溢出可作为时钟由I/O口输出作为38 kHz载波。

实验表明，该系统是可行的，实现了对家用电器的智能化地自动控制，让人们可以通过移动电话远程控制家用电器的运转。但系统功能不够完善，且由于采用51单片机作为主控芯片，运行处理速度较慢。可通过采用ARM作为主控芯片加强处理能力,增加视频功能和互联网接口，进一步实现远程视频监控。

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