基于物联网的家庭照明系统研制

曲鹏超 陈超 张秀娟

摘要：该文主要介绍了一种基于物联网技术的家庭照明系统的研制，采用Nordic公司的无线射频芯片nRF24LE1芯片（内置8051处理器核）作为物联网的硬件实体,将家庭里的电灯组合成一个系统，采用密码算法进行相互通信，主控制器采用ARM处理器对系统进行总体控制，同时内置GSM通信模块SIM300C，使得用户也可以通过手机短信的方式随时随地了解系统整体情况，并对整个系统进行控制；在软件方面，我们使用自定义的协议实现主控制器与终端设备的通信；另外，我们使用密码表方法实现了不同系统的隔离。

关键词：物联网；家庭照明系统；Nrf24le1；ARM；SIM300C

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)01-0186-03

Family Lighting System Development Based on Internet of Things

QU Peng-chao,CHEN Chao，ZHANG Xiu-juan

( Information Engineering College, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China)

Abstract:This paper mainly introduces a family lighting system development based on Internet of Things. By using Internet of Things technology and wireless communication technology, we connect all the lights inside a family into a network through a unified management of the master controller. For wireless communications, we adopt radio frequency chip of Nordic companys NRF24L01 and NRF24LE1(built-in 8051 processor core). The master controller adopts ARM processor LPC2368 to overall control the system. The master controller has internal GSM communication module-SIM300C, so users can also send control messages to the main controller through SMS, the main controller will analyze the messages and then send control commands to terminal equipments. In software communication aspect, we use user-defined protocol to realize the communication between the master controller and terminal equipments. In addition, to assure reli? able and stable communication, we also design a cryptographic algorithm and state machine thought.

Key words: internet of things; family lighting system; NRF24LE1; ARM; SIM300C

随着社会经济的发展和生活水平的提高，人们越来越重视生活品质，不知不觉中我们进入了电子时代，科学技术的不断创新以及计算机科学与电子技术的发展，越来越多的高科技电子产品涌入人们的日常生活当中，为人们带来更便捷更享受的生活体验。本文介绍了一种新兴技术——物联网技术[1]，以及它在家庭照明系统研制中的应用。物联网技术是指通过各种传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、监控和管理的一种网络。本系统采用无线射频芯片，ARM处理器[2-7]及GSM通信模块，将家庭里的所有电灯连接在一起，进行统一的控制和管理，用户通过一个控制器既可以通过按键的形式控制所有电灯，也可以通过手机短信的方式[8]随时随地对电灯进行控制或者了解电灯的情况，在通信方面，我们采用自定义的协议以及密码算法，实现不同系统之间的隔离，使得通信更加稳定，安全。由于采用无线通信方式进行连接，比传统的物理线路连接更节省空间，实现的功能更强大，所以是家庭装饰中的最佳选择。

1系统总体设计

本系统分为主控制器模块、无线通信模块、软件设计三部分。

主控制器模块作为系统的心脏，也是各节点之间的通信枢纽，通过它对节点发出控制信号，也可以接收节点发过来的控制信息，用户对各个节点的操作都直接或间接的通过它来完成。比如，用户可以直接操作主控制器的按键来对节点发出控制信号，也可以通过手机短信的方式将命令发送给主控制器，经过主控制器识别分析，然后对节点发出控制信号。

无线通信模块是指安装在每个节点之上的无线通信设备，它能识别分析主控制器发来的命令，然后通过继电器来控制节点设备的工作，或者向主控制器发送当前节点设备的工作状态。如图一系统总体设计：

软件设计部分主要是指主控制器如何和各个节点之间通信的，介绍了通信协议的格式以及密码算法。另外介绍了一种状态树的方法简化实现了用户手机和主控制器的通信。

2主控制器模块设计

主控制器采用ARM处理器LPC2368芯片,此芯片具有丰富的外围接口，性能可靠稳定，功耗低，具有高达512KB的片内Flash和32KB的片内SRAM，同时它具有以太网接口，方便以后设备的升级。短信通信模块选用的芯片是SIM300C，内部集成了GSM和GPRS模块，可以发送短线，也可以连接到Internet。图二和图三分别介绍了SIM300C和SIM卡的硬件原理图。

主控制器内无线通信模块选用的是NRF24L01芯片，NRF24L01可以工作在2.4GHZ到2.5GHZ频段,功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA,多种低功耗模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。主要用它来发送和接收数据，数据的处理工作完全由主芯片来完成。图四介绍了NRF24L01的硬件原理图。

3无线通信模块设计

无线通信模块使用的是NRF24LE1芯片，此芯片采用了Nordic最新的无线和超低功耗技术，在一个极小封装中集成了包括

2.4GHZ无线传输，增强型51 Flash高速单片机，是一个综合了性能及成本的完美结合，适合于各种2.4G的产品设计。由于其内部集成了51核，具有处理数据的能力，我们无需再外接其他的处理器，用一个芯片就能满足系统的需求。图五介绍了NRF24LE1的硬件原理图。

图5 NRF24LE1硬件原理图

继电器使用的是磁保持继电器，常开常闭状态完全是依赖永久磁钢的作用，靠的是一定宽度的脉冲电信号触发而完成的，功耗几乎为0，目前磁保持继电器触电转换电流最大可达150A，控制线圈电压为DC9V,DC12V等，电器寿命10000次，机械寿命1000000次，具有省电、性能稳定、体积小承载能力大、比一般电磁继电器性能优越的特点。图六介绍了继电器的硬件原理图。

4系统软件设计

如果把硬件电路比喻成人的身体，那么软件就是人的灵魂，当硬件电路设计好了之后，我们必须设计一套严密的软件方案，而本系统最主要的功能就是通信，我们必须规定一个数据通信包的格式，下面将介绍我们的数据包的格式,以及数据包各段所起的作用。通信格式见表1。

地址段：此字段用来标识每一个终端设备，本系统发送广播包，每一个终端设备都会收到数据包，系统中每个设备都会有一个独一无二的地址，所以只有地址字段相符的设备才会做出响应。

命令段：命令码是用来告诉终端要做出何种响应，比如是要关灯或者开灯还是发送状态信息。

密码索引段和密码段：为了防止不同系统之间相互干扰，我们给每个系统分配一个密码表，如果密码校正错误，那么终端设备将会丢弃包。密码表见表2。

5结束语

以上我们介绍了基于物联网的家庭照明系统的设计，系统之间是通过无线通信方式连接的，采用的是ARM处理器以及无线通信模块，我们下一步的工作就是实现与Internet网的连接。

参考文献:

[1] Fei-zhou Zhang.Internet of things technology[M].Electronic Industry Press,2010.

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