一种基于射频网络的智能家居电能控制系统

近年来，物联网技术发展迅速，全社会的信息化水平不断提升。智能家居是物联网的主要应用之一，已成为当前的热门研究领 域，也是未来家居生活的发展方向 。它能够为用户提供舒适、便利的生活环境。但由于市场上的相关产品大多价格昂贵，普及率依然较低。以往的探索与开发往往停留在对电器设备本身的改造上，这 种尝试使智能家居产品一度成为奢侈品。本文介绍了一种电能控制系统，作为智能家居的重要组成部分，它在不改动原有电器设备的基础上实现了远程自动控制功能。

1 系统结构

该电能控制系统由遥控器和插座节点组成，其工作原理如图1所示。当用户 在家时，通过遥控器以射频方式对插座进行控制。插座节点收到信号后，由微控制器进行解码，并根据得出的结果，对特定编号的插座做通断电处理，从而使与其连 接的用电器被启动或者关闭。当用户离住所较远时，可通过GSM网络向遥控器发送手机短信 ，微控制器读取信息后，通过射频芯片，将信息传递到室内的无线网络中，进而使相应地址上的插座受到控制。由此可见，遥控器在整个智能家居系统中属于网关节 点 ，一方面，它与插座节点组成了室内射频局域网，另一方面，它又与GSM网络相连，延展了遥控距离。遥控器的内部结构如图2所示，包括温湿度检测电路、时钟 模块、nRF905射频收发模块、GSM模块等功能电路，这些模块均与控制核心LM3S811相连。该微控制器采用ARM Coaex-M3架构，由于依托高密度的Thumb-2指令集，内存开销大大降低，操作系统的移植也更加方便。

图1 遥控插座工作原理

图2 遥控器结构框图

插 座节点主要实现与遥控器的射频通信以及继电器的通断控制，其结构框图如图3所示。插座中的烟雾传感器用于预防火灾危险。一旦检测到烟雾或可燃性气体，插座 上对应的继电器将断开，并通过射频收发模块向遥控器汇报，遥控器收到信息后，再通过GSM模块的短信功能及时提醒用户采取相应的措施，防止危险的发生或财 产损失的进一步扩大。由于插座端工作量较少，从成本和性能两方面考虑，本系统采用STC12C5620AD微控制器作为插座端的主控芯片。

图3 插座节点结构框图

2 硬件电路设计

2.1 温湿度检测电路

本系统采用温度传感器LM35和湿度测量模块CHM-02进行环境监测。LM35的电压输出与摄氏温度呈线性关系，无需校准就可在常温环境下达±l/4℃ 的测量精度。CHM-02模块可在0~70 ℃的温度下对20~95%RH范围内的湿度进行检测，室温下的测量精度为5%RH。温湿度传感器与MCU的接口示意图如图4所示。由于两种传感器输出的模 拟信号在MCU片内A/D采样电路的检测范围内，所以直接将两者的输出端与MCU的两个ADC引脚连接。模拟式传感器的使用不但充分利用了控制器的片上资 源，而且提高了子程序的利用率。

图4 温湿度传感器与MCU的接口示意图

2.2 烟雾检测电路

烟 雾传感器MQ一2基于SnO：的电化学特性，对可燃性气体及烟尘有良好的检测灵敏度。烟雾检测电路原理图如图5所示。MQ．2在正常工作前需要对内部加热 丝的H．h两极通电预热 ，为了防止加热电流过大而导致内部信号线温度过高，此处将加热丝与100 Q电阻串联。当环境中的烟雾或可燃气体超过警戒阈值时，传感器A．B两极间的电导率迅速增加，与其串联的负载电阻m所获得的电压也相应增加，该电压信号经 低功耗运放TLC27M2放大后，得到与烟雾或可燃气浓度相对应的模拟量输出，最终接人控制器的ADC模块进行量化。

图5 烟雾检测电路原理图

2.3 时钟模块

时 钟模块除了显示系统时间以外，还可对单个插座进行通断电定时。时钟电路原理图如图6所示，DS1302通过串行方式与MCU通信，为保证信号传输的稳定 性，接口已做上拉处理。芯片采用双电源供电，主电源正常工作时可以对备用电源进行涓细电流充电；在掉电情况下启动备用电源，避免因突然停电而造成时钟停滞 。考虑到使用的便捷性，遥控器由锂电池供电。DS1302的主电源引脚VCC2连接到集成稳压器的3.3 V输出，而备用电源引脚VCC1与4700 μF的电容串接，两个电源引脚之间通过二极管隔离。由于芯片耗电量很低，在更换电池的过程中，电容的放电作用可以暂时维持芯片运行。

图6 时钟电路原理图

2.4 射频收发模块nRF905

射 频收发模块是连接插座与遥控器的桥梁。nRF905集成收发器能在3个ISM频段配置使用，且功耗很低。本系统中的所有节点均设置在433 MHz频段工作嘲，射频收发电路原理图如图7所示，其中的SMA接口用来连接特性阻抗为5O Ω的单端天线，有利于信号的全向辐射。单端天线又被称为非平衡天线，其主要参考点为信号地，而nRF905的天线接口(引脚ANT1和ANT2)为差分射 频输出端口。为了维持信号平衡，保证两个端口的阻抗匹配，此处在两者之间增加了balun(平衡月乍平衡)电路，对芯片输出端的特性进行调节。

图7 射频收发电路

2．5 GSM通信模块

将短距射频网络与GSM技术相结合，既发挥了短距射频网络配置灵活的特点，又发挥了GSM技术在通信距离上的优势。GSM通信电路的核心是SIM300模块，其外围电路如图8所示。

图8 GSM通信电路原理图

原 理图SIM300通过串口与MCU通信，模块与SIM卡之间串联的22 Ω电阻用于阻抗匹配。为保证信号的传输质量，SIM卡数据线作了上拉处理，与引脚并联的SMF05C型静电抑制器用于静电防护。电源与地之间并联的100 μF钽电容和1 μF陶瓷电容用于去除低频毛刺，并在一定程度上兼顾了高频特性。按下按键S1，使PWRKEY引脚的电位拉低约2 s左右，可以完成模块的上电与掉电，当前状态由串联在VDD_EXT引脚上的发光二极管指示。为了便于程序控制，在原有按键的基础上增加了一种三极管开关 电路，当模块工作异常时，可以通过软件改写PWR端口的状态来实现SIM300的自动复位。

3 软件设计

遥控器和插座对于整个射频无线网络而言都是其中的节点，但硬件结构上的差异决定了两者功能与地位上的不同，也使得两者在软件设计的方式上有所差别。

3．1 遥控器节点程序设计

遥 控器是系统的控制核心，也是用户与插座之间联系的纽带，因此程序中的并发模块多，任务繁重。考虑到遥控器中采用的ARM处理器可提供对操作系统的全面支 持，利用μC/OS-Ⅱ操作系统对该节点中的多个任务进行调度 ，可有效保证系统的实时性和稳定性，也有利于功能的扩展。在进行操作系统移植前，需要对任务进行划分，每个功能对应一个系统任务，同时应避免划分过细而导 致频繁调度的问题。遥控器节点的程序流程如图9所示，其中包含了7个任务，任务之间通过信号量、消息队列、消息邮箱等方式实现同步与通信。从用户的角度来 看，这些任务是并发执行的。

图9 遥控器节点程序流程图

按 键扫描任务的优先级在所有用户任务中最高。通过中断方式读取用户输人的按键值，数据存人消息邮箱KeyMbox中，若数字键1-6被按下，则通知射频发送 任务处理；若时钟设置按键被按下，则进行时钟调整或定时器设置。时钟定时任务用于获得DS1302的时钟输出值，在定时时间到达后，发送消息通知射频发送 任务处理，完成后自动挂起。射频发送任务是根据其他任务中获得的控制码，以射频方式对相应编号的插座发送通断电控制信号，随后等待插座端返回动作信息。若 超时无反馈则重发1次，重发3次后任务挂起。危险报警任务需经过同频载波检测，地址匹配确认后，才开始接收射频信号，进而将信息送人邮箱，解码确认危险报 警标识后，通过GSM模块，以短消息的方式通知用户。短信接收任务负责接收用户短信，并将其存放在消息邮箱GSMMbox中。通过AT指令 “AT+CMGR=I”每次只读取序号为1的短信息，成功提取控制码(包含插座ID号和开关动作码)后，将该条信息删除，并向射频发送任务传递消息。环境 监测任务负责对室内温湿度信息循环采样。虽然温度传感器的线性度较好，但外界环境对湿度传感器的影响较大，需对其输出电压值作分段线性化处理。数据存放于 消息队列中，最终结果为3次测量值的算术平均值。液晶显示任务优先级最低，待以上任务结束后，负责显示各插座最终的状态、时钟信息以及室内温湿度测量结果等。

3．2 插座节点程序设计

插座节点程序流程如图10所示，其 中最主要的工作是实现射频信号的接收与发送。当没有烟雾报警时，nRF905进入接收模式，同时侦听信道；若监测到同频载波且数据包地址有效，则启动接 收；当CRC校验结果正确，硬件会自行去除数据包的前导码、校验码及地址码 ，并通知MCU数据准备就绪，进而MCU通过SPI串行总线读取接收到的信息。

图1O 插座节点程序流程图

射 频信号发送本质上是接收的逆过程。当nRF905进入待机模式后，MCU将地址与数据信息传送至射频芯片的发送寄存器，同时启动芯片进入射频发送模式，随 后片内硬件自动完成对数据的打包、编码、调制及发送任务。一帧数据发送结束后，射频芯片转入待机模式，等待下一次被激活。射频电路的每一次接收或发送过程 都伴随着继电器的接通或断开动作。默认条件下，烟雾传感器处于使能状态，为了防止用户在室内抽烟而导致系统误判，烟雾检测功能也可以设置为失效。