智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1、智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計    為了設(shè)計一種智能型可遠(yuǎn)程控制的家居監(jiān)控系統(tǒng)，采用2. 4GHz 模塊nRF24L01,通過單片機(jī)內(nèi)部程序控制，完成了無線微控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，并通過程序控制，實現(xiàn)了智能化控制家電，通過AT 指令控制TC35 模塊，實現(xiàn)了通過移動終端遠(yuǎn)程控制家電的功能。本文介紹內(nèi)容包括系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、2. 4GHz 無線微控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、TC35 模塊和紅外學(xué)習(xí)遙控的應(yīng)用，重點介紹系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及無線微控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。該系統(tǒng)組網(wǎng)、安裝方便，能智能化的自動控制家用電器，可通過移動電話遠(yuǎn)程控制家用電器的運(yùn)轉(zhuǎn)。   

2、0;現(xiàn)代社會的手機(jī)使用已經(jīng)極其普遍，通過手機(jī)給用戶反饋信息要比通過電腦網(wǎng)絡(luò)直接有效且實時性高。智能家居行業(yè)在近幾年得到了較快的發(fā)展，智能家居系統(tǒng)也在逐漸成為一個新興的研究領(lǐng)域。隨著2. 4GHz 頻段器件應(yīng)用的普遍化，2. 4GHz 頻段的高通訊速率和可兼容性正引起人們的重視，比起其它組網(wǎng)方式，采用2. 4GHz 通信正逐步成為家電類產(chǎn)品無線通信發(fā)展的趨勢。    由于紅外傳輸是一項比較成熟且成本低廉的無線傳輸技術(shù)，因此，目前的家電幾乎都采用了紅外遙控。由于紅外遙控的編碼方式不同，使用學(xué)習(xí)型紅外遙控能達(dá)到對不同家電產(chǎn)品都通用的目的。本文介紹一種以2. 4

3、GHz 無線微控制網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過TC35 的短信接口和學(xué)習(xí)型紅外遙控器組成的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。    1 系統(tǒng)設(shè)計    通常的智能家居系統(tǒng)中使用的控制網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案有普通的有線傳輸方式和無線傳輸兩種。有線傳輸方式依靠電纜連接，雖然連接穩(wěn)定且速率高，但由于需要布置專用線纜，便利性不高。無線傳輸方式中，有315MHz 和2. 4GHz 幾個頻段，315MHz 頻段帶寬窄且易受干擾，不便采用，而2. 4GHz 頻段中，又包含藍(lán)牙、ZigBee 等幾種協(xié)議且互不兼容，藍(lán)牙和Zig-Bee 技術(shù)成本高，且協(xié)議開銷大，綜合考

4、慮，本設(shè)計采用NORDIC 公司的2. 4GHz 射頻收發(fā)器件nRF24L01來提供數(shù)據(jù)交互以組建無線微網(wǎng)絡(luò)3 - 5.    本系統(tǒng)是通過控制nRF24L01 模塊而構(gòu)成星型結(jié)構(gòu)的無線微控制網(wǎng)絡(luò)，以主控機(jī)為微網(wǎng)絡(luò)的中央控制節(jié)點，主控機(jī)通過微網(wǎng)絡(luò)控制多個作為執(zhí)行節(jié)點和測量節(jié)點的從機(jī)，主控機(jī)接收處理各從機(jī)發(fā)來的信息，并將控制信號發(fā)往各從機(jī)以執(zhí)行相關(guān)控制。星型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)管理和控制方便，延遲時間短，可靠性高。    系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。      

5、0; 圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖    1. 1 主控機(jī)設(shè)計    主控機(jī)的控制芯片使用STC89C52RC 單片機(jī)，無線模塊選用NORDIC 公司2. 4GHz 單片射頻收發(fā)芯片nRF24L01,它內(nèi)嵌NORDIC - Enhanced Shock Burst協(xié)議，內(nèi)置鏈路層，可實現(xiàn)點對點或是1 對6 無線通信，單片機(jī)通過SPI 方式與之通信。選用的TC35 是Siemens 公司AT 指令操作的GSM 模塊，系統(tǒng)通過nRF24L01 接受各分機(jī)發(fā)來的信息并處理，將控制信號發(fā)往各個分機(jī)，并通過Philips

6、 串行通訊方式的PCD8544 液晶PCD8544,可顯示3 行8 列漢字來實現(xiàn)用戶界面，并通過GSM 給用戶提供遠(yuǎn)程操作接口。    使用DALLAS 公司的時鐘電路DS1302 作為系統(tǒng)實時時鐘，用以提供時間。    主機(jī)通過I /O 口與STC89C52RC 進(jìn)行通訊來實現(xiàn)GSM 模塊的控制。STC89C52RC 通過接收來自GSM 模塊的數(shù)據(jù)并處理后傳至STC89C58RD +,STC89C58RD +發(fā)送的指令經(jīng)過STC89C52RC 處理后由STC89C52RC 控制GSM 模塊把信息告知用戶。主控機(jī)硬

7、件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。        圖2 主控機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖    如圖3 所示，當(dāng)主控機(jī)上電時，單片機(jī)STC89C52RC 首先對各器件進(jìn)行初始化，初始化完成后，進(jìn)入主軟件部分，若有按鍵按下則執(zhí)行相關(guān)的按鍵處理，讀取時間和溫度，判斷是否有需要處理的定時任務(wù)并處理，同時查詢nRF24L01 看是否收到來自從機(jī)的信息，在處理相關(guān)數(shù)據(jù)后，操作液晶屏顯示相關(guān)信息。        圖3 主控機(jī)軟件流程

8、圖     1. 2 從機(jī)設(shè)計    圖4 從機(jī)的控制芯片使用STC12C2052AD,通過SPI 口與nRF24L01 通信，并通過繼電器和紅外學(xué)習(xí)遙控控制各家電，溫度傳感器使用DALLAS 公司的單總線溫度傳感器DS18B20,紅外入侵檢測使用市面上常見的以BISS0001 為處理芯片的紅外熱釋電傳感器模塊?？扇?xì)怏w傳感器使用MQ - 2 傳感器，傳感電路輸出的模擬電壓值通過單片機(jī)STC12C2052AD 內(nèi)置AD 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。      &#

9、160; 圖4 從機(jī)電路原理圖    2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計    2. 1 全球無線移動通信模塊設(shè)計    本系統(tǒng)借用了GSM 通訊模塊的SMS（ Short MessageService） 短信息服務(wù)模式，系統(tǒng)采用了Siemeils公司TC35 無線通訊模塊，模塊提供AT 指令接口，支持文本和PDU 模式的短消息。通過串口發(fā)送AT 指令就可以控制GSM 模塊發(fā)送信息到指定的移動終端，并且監(jiān)聽GSM 模塊是否收到新短信。    

10、;在操作TC35 模塊時，首先發(fā)送初始化指令A(yù)T&F 進(jìn)行初始化，然后通過指令A(yù)T + CMGF 選擇為文本模式并發(fā)送查詢指令進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)查詢和信息接收查詢。若需要發(fā)送信息，則通過對應(yīng)指令依次寫入信息中心號碼、目的手機(jī)號碼和短信內(nèi)容進(jìn)行發(fā)送。圖5 為TC35 收發(fā)短信工作流程圖。    信息發(fā)送的程序片段如下：    init_serialcom（ ） ; / /初始化串口    AT_RST（ ） ; / /格式化指令    

11、AT_CREG（ ） / /網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)查詢指令    AT_CSCA（ ） ; / /寫信息中心號    AT_CMGS（ ） ; / /寫目的手機(jī)號    ATDATA（ ） ; / /寫信息內(nèi)容        圖5 GSM 模塊軟件設(shè)計框圖    2. 2 無線通信模塊設(shè)計    nRF24L01 和單片機(jī)相連的有6

12、 根控制和數(shù)據(jù)信號線，分別為CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ 和CE。    CSN 為器件片選端，CSK、MISO 和MOSI 構(gòu)成SPI 口，IRQ 為中斷，CE 為模式控制。    nRF24L01 可選擇的收發(fā)模式有Enhanced Shock-Burst 收發(fā)模式、ShockBurst 收發(fā)模式和直接收發(fā)模式三種。本設(shè)計中采用Enhanced ShockBurst 收發(fā)模式。    nRF24L01 具體的操作流程如圖6 所示。  &#

13、160;     圖6 nRF24L01 操作流程    在軟件部分進(jìn)入其他程序運(yùn)行前，對nRF24L01進(jìn)行初始化，配置器件的自動重發(fā)次數(shù)、通信頻率、發(fā)射功率和接收增益等參數(shù)。     操作nRF24L01 時，首先通過CE 口將nRF24L01的CE 拉低使其進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，寫Tx 和Rx 節(jié)點地址，若為發(fā)送則寫TX_FIFO,通過CE 和寄存器PWR_UP、PRIM_RX 確定轉(zhuǎn)換的模式。若是發(fā)送，則等待發(fā)送完成中斷后推出，若為接收，則等待接受中斷然后讀出接收的

14、數(shù)據(jù)為避免多個無線模塊之間發(fā)生沖突，主控機(jī)和多個從機(jī)分別采用不同的地址，每個從機(jī)只跟主控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)通信，由主控機(jī)作為信息的中繼和控制中心，形成一個以主控機(jī)為中央節(jié)點的微控制網(wǎng)絡(luò)。    2. 3 系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)功能設(shè)計    紅外學(xué)習(xí)遙控使用HX1838 型通用一體化紅外接收頭作為紅外編碼接收器件，紅外發(fā)射管使用臺灣億光的IR333 - A.    紅外學(xué)習(xí)遙控由單片機(jī)進(jìn)行脈寬采樣并記錄，由單片機(jī)產(chǎn)生38kHz 的載波，經(jīng)過緩沖放大后通過紅外發(fā)射管發(fā)射出去。紅外脈寬的采樣采

15、用一體化紅外接收頭接收，通過單片機(jī)定時器測量脈寬，然后將脈寬信息寫入EEPROM 存儲，發(fā)送編碼時，由單片機(jī)產(chǎn)生38kHz 的載波，脈寬調(diào)制后經(jīng)過緩沖放大后通過紅外發(fā)射管發(fā)射出去。為此，紅外學(xué)習(xí)遙控器由STC12C2052AD 單片機(jī)作為控制芯片，STC12C2052AD 內(nèi)部集成了10k 的EEPROM 用以存儲紅外編碼，定時器的溢出可作為時鐘由I /O 口輸出作為38kHz 載波。    紅外學(xué)習(xí)遙控的編碼存儲采用EEPROM 存儲，由于單片機(jī)內(nèi)置EEPROM 的擦除速度較慢，若在接收時擦除扇區(qū)速度太慢，且易出錯。存儲時采用地址存儲扇區(qū)和數(shù)據(jù)存儲扇區(qū)配合的方式存儲，第一個扇區(qū)作為地址存儲扇區(qū)，用以存儲各編碼的存儲扇區(qū)數(shù)，數(shù)據(jù)存儲扇區(qū)用來存儲各編碼的內(nèi)容。數(shù)據(jù)存儲部分，采用當(dāng)前扇區(qū)和備用扇區(qū)切換的方式存儲，學(xué)習(xí)編碼時，先將備用扇區(qū)內(nèi)的內(nèi)容擦除，將新的編碼寫入備用扇區(qū)，當(dāng)紅外編碼學(xué)習(xí)完后，通過修改地址存儲扇區(qū)的內(nèi)容將當(dāng)前扇區(qū)指向新寫好的編碼所在扇區(qū)，而備用扇區(qū)則指向之前的扇區(qū)。    3 結(jié)束語    實驗表明，該系統(tǒng)是可行的，該監(jiān)控系統(tǒng)能智能化的自動控制家內(nèi)電器，可通過移動電話遠(yuǎn)程控制家里電器的運(yùn)轉(zhuǎn)。由于使用2. 4G