基于nRF905的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：智能家居監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)由nRF905組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將各個(gè)單元和主控單元連接起來(lái)統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的安防控制、環(huán)境溫度的檢測(cè)、空氣換氣控制等功能；用戶可使用紅外遙控集中控制器來(lái)操控上述任意單元，輕松控制家居環(huán)境。
關(guān)鍵詞：智能家居；無(wú)線組網(wǎng)；nRF905；安防控制

    在智能家居中，數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)是安裝在家居中的一種通訊平臺(tái)，它具有一般通訊網(wǎng)絡(luò)所應(yīng)具有的特點(diǎn)，同時(shí)考慮到它所安裝的地點(diǎn)是普通的私人家居和使用者是普通居民，所以它還具有自身獨(dú)有的需求和特點(diǎn)，包括安全性、可用性、可靠性、靈活性、易擴(kuò)展性，使用的方便性、廉價(jià)性、標(biāo)準(zhǔn)化以及體積小、重量輕和安裝方便等。智能家居系統(tǒng)中家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要分為兩類，一種是有線家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，另一種為無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
    隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)比有線網(wǎng)絡(luò)具有通信范圍不受環(huán)境條件限制、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期短、施工成本低、易于維護(hù)、可擴(kuò)展性好等無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，使其逐漸取代有線網(wǎng)絡(luò)，成為智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組網(wǎng)的首選。

1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本設(shè)計(jì)主要由溫度檢測(cè)單元，門鎖開(kāi)關(guān)檢測(cè)單元，通風(fēng)換氣電機(jī)控制單元，電氣開(kāi)關(guān)集中控制等單元構(gòu)成；各單元通過(guò)無(wú)線技術(shù)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)集中控制；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組建部分采用了令牌環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式，能避免多個(gè)905模塊對(duì)信道的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，主控單元是在無(wú)線組網(wǎng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)單元運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制。用戶還可通過(guò)Intemet／GPRS遠(yuǎn)程訪問(wèn)智能家居控制系統(tǒng)，查看和控制其中的設(shè)備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 智能家居單元的無(wú)線組網(wǎng)
    由于nRF905射頻芯片本身是不帶組網(wǎng)協(xié)議，為了使智能家居中的中央控制單元和各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)完整的通訊網(wǎng)絡(luò)，并使系統(tǒng)在每一時(shí)刻最多有一個(gè)設(shè)備(含主控單元)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送(避免信道的競(jìng)爭(zhēng)和沖突)，就需要編寫(xiě)協(xié)議。設(shè)計(jì)中nRF905無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式采用令牌環(huán)總線方式。
2．1 系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式
    系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式定義如表1所示：

    目的節(jié)點(diǎn)地址(4字節(jié))：該字段是數(shù)據(jù)所要發(fā)送到的節(jié)點(diǎn)地址，接收端通過(guò)識(shí)別該字段來(lái)判斷是否是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)。
    源節(jié)點(diǎn)地址(4字節(jié))：該字段是發(fā)送節(jié)點(diǎn)的地址，接收端通過(guò)識(shí)別該字段來(lái)判斷是誰(shuí)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。
    令牌標(biāo)志(1字節(jié))：用于判斷接收到的幀是令牌、令牌回復(fù)還是普通數(shù)據(jù)幀。
    幀體(27字節(jié))：該字段信息為有效數(shù)據(jù)。
    幀校驗(yàn)(1字節(jié))：發(fā)送節(jié)點(diǎn)利用循環(huán)冗余碼(CRC)計(jì)算一個(gè)幀校驗(yàn)序列，并將結(jié)果存入該字段。
2．2 令牌環(huán)總線的實(shí)現(xiàn)過(guò)程
    令牌環(huán)的總線結(jié)構(gòu)是總線在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫娴拿枋?，總線中各節(jié)點(diǎn)在物理連接上是總線結(jié)構(gòu)，在邏輯上引入令牌。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在邏輯序列中被指定一個(gè)邏輯位置，序列中最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)和第一個(gè)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)邏輯環(huán)路。每個(gè)節(jié)點(diǎn)知道它的前一節(jié)點(diǎn)和后一節(jié)點(diǎn)的地址。擁有令牌的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，直到數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢或令牌持續(xù)時(shí)間到，節(jié)點(diǎn)才會(huì)把令牌傳給網(wǎng)絡(luò)上與此節(jié)點(diǎn)邏輯上緊密相連的下一節(jié)點(diǎn)。如果此節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送，則它把令牌傳給再下一節(jié)點(diǎn)，繼任節(jié)點(diǎn)的物理位置并不重要，可以是總線上除了本節(jié)點(diǎn)外的任意一個(gè)。因?yàn)樵谌我鈺r(shí)刻僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀不會(huì)發(fā)生沖突，如果擁有令牌的節(jié)點(diǎn)故障，無(wú)法將令牌傳遞給它的繼任者，則規(guī)定令牌更新的最大時(shí)限，使節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)地退出總線邏輯隊(duì)列，并由該節(jié)點(diǎn)的上一節(jié)點(diǎn)重新產(chǎn)生令牌，依序傳遞給下一節(jié)點(diǎn)。

3 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)單元模塊電路設(shè)計(jì)
3．1 溫度檢測(cè)單元
    Dalla半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器為“一線總線”式溫度傳感器，一線總線的特點(diǎn)方便用戶組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，新一代的ds18b20體積更小，更經(jīng)濟(jì)、靈活；其溫度測(cè)量范圍為-55℃～+125℃；精度為±0．5℃；現(xiàn)場(chǎng)溫度以一線總線的數(shù)字方式傳輸，提高了系統(tǒng)的抗干擾特性，同時(shí)可使用便攜式電源，接口電路少，安裝方便。溫度檢測(cè)單元電路如圖2所示。

3．2 門禁開(kāi)關(guān)檢測(cè)單元
    國(guó)內(nèi)普通居民住房門鎖一般為機(jī)械鎖，本身沒(méi)有門鎖開(kāi)關(guān)控制電路，為能有效檢測(cè)出門的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，本單元使用常見(jiàn)的紅外檢測(cè)方式。但針對(duì)普通的紅外安防系統(tǒng)沒(méi)有紅外編碼校驗(yàn)功能，容易被另外的紅外光源干擾而失去作用，設(shè)計(jì)加入紅外編碼和校驗(yàn)電路。通過(guò)對(duì)不同用戶設(shè)置不同的校驗(yàn)碼(類似于每把鎖有不同的鑰匙)來(lái)加強(qiáng)紅外門禁檢測(cè)單元的安全性。另外，為減少紅外發(fā)送的功耗，本單元添加由定時(shí)器555構(gòu)成的多諧振蕩器，可設(shè)置紅外檢測(cè)的周期(如300 ms)，以延長(zhǎng)系統(tǒng)電源的使用壽命。
3．3 通風(fēng)換氣控制單元
    單相感應(yīng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，運(yùn)行可靠及維護(hù)使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，只需單相交流電源供電，因而被廣泛應(yīng)用在小型機(jī)床，輕工設(shè)備、商業(yè)機(jī)械、食品加工機(jī)械、家用電器、日用機(jī)電用具等。如家用的電風(fēng)扇，洗衣機(jī)，空調(diào)等都使用單相感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作。
通風(fēng)換氣控制單元沒(méi)有專門設(shè)計(jì)單相電機(jī)的速度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路，而是直接采用了常見(jiàn)的具有分檔調(diào)速電路的電風(fēng)扇模塊控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

4 智能家居主控單元軟件設(shè)計(jì)
    智能家居主控單元的軟件設(shè)計(jì)分為5個(gè)部分：nRF905通訊網(wǎng)絡(luò)的控制；紅外遙控集中控制器的響應(yīng)；與PC機(jī)信息交互；家居系統(tǒng)設(shè)置及重要運(yùn)行參數(shù)的記錄；家居內(nèi)部環(huán)境的自動(dòng)檢測(cè)控制和各模塊之間的協(xié)調(diào)工作。主控單元在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上只是nRF905通訊網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)，也參與到整個(gè)令牌環(huán)的循環(huán)傳遞；但其在令牌環(huán)中的地位來(lái)看是令牌環(huán)中中央控制節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)令牌的檢測(cè)和維護(hù)?；诹钆苽鬟f的網(wǎng)絡(luò)是一種延時(shí)相對(duì)確定的網(wǎng)絡(luò)，在發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀之前的最大等待時(shí)間可以由令牌平均周期時(shí)間確定。這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)得到發(fā)送權(quán)的間隔時(shí)間是大致相等的，從而在很大程度上將隨機(jī)時(shí)延轉(zhuǎn)換成確定性的時(shí)間延遲。這樣，主控單元可預(yù)知令牌環(huán)傳遞的最大周期，若超出最大周期仍未獲得令牌，則判定令牌丟失，重新建立新的令牌。

5 結(jié)束語(yǔ)
    nRF905通訊模塊在本系統(tǒng)中擔(dān)任著至關(guān)重要的角色，它是智能家居系統(tǒng)協(xié)調(diào)可靠工作的最基本保障，在測(cè)試期間發(fā)現(xiàn)，最小功耗模式下室內(nèi)距離30 m時(shí)通訊正常，基本滿足智能家居系統(tǒng)需要；若住宅布局比較復(fù)雜，則需要加大905的發(fā)射功率。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，安裝方便，可滿足智能家居控制系統(tǒng)需求。