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智能家居控制系统范文1
一、智能家居系统设计的流程
单片机系统是微机应用产品化的最佳机种之一，其系统本身具备很多优点。例如，较其他系统，单片系统的体积更小，成本更低，功能性更加强大，单片机所带来的系统已经在智能化产品工业制作中被广泛应用。并且随着技术水平的不断进步，逐渐完善的单片机系统能够满足设计过程中的各种要求。
在总体设计的流程中，外界信息经过感应器传导，其信号内容进行放大与整形，进一步传导单片机信号分析处理，再由单片机系统与外部信息结构进行指导交换，引导红外与光电装置，将信息内容传递于执行器件。在控制系统中，系统控制器会接收到远端传递过来的信号，并且对其解码，再传递给中央处理系统。在控制系统的设计中，我们要充分考虑用户使用的便捷性，在控制系统中添加语音提示操作系统，使用户能够在无人值守系统的情况下，更好地进行系统操作。
二、智能家居系统的应用设计
(一)传感器应用设计
传感器的应用设计，是家庭智能设计过程中的信号来源。在传感器设计上，应根据产品本身的特点添加各种感应装置。在智能家居系统中，火灾警报传感器是设计的第一项，火灾烟雾传感器的体积小、可靠性高，能够及时将烟雾信号转换为电信号，在智能家居的设计中，烟雾传感器可以固定在每个房间的天花板或者墙壁上，将家居系统与小区或消防警报系统相链接，充分利用智能家居系统的安全性。
其次，我们要设立可燃气体传感器，将感应器放置于厨房等气体容易泄露的地方，监视气体疏通管道的安全性，如果发生天然气泄露等情况，感应器会自动关闭天然气输送管道阀门，并且向外界发出信号，及时通知家庭以及小区物业，降低财产损失。在可燃气体感应器设置上，利用气体浓度来对天然气等装置进行监控。在智能家居生活中，防盗报警系统可以分为两部分，一部分是对家庭周围环境的防护，例如周围环境的监视控制，门窗系统中的开关以及玻璃周围的感应系统等;另一部分是针对
家庭无人的情况，对于室内的感应防盗系统，利用红外感应装置，在他人进入房间且未关闭监控系统的情况下发出警报。在房间有人活动的时候，关闭室内防盗系统，开启室外防盗系统，在无人活动的情况下，室外系统与室内系统均开启，并且防盗系统的灵敏程度可以根据房屋周围环境而设定。
(二)通讯接口应用设计
智能家居的生活控制系统中，数据通信电路需要完成信息的接受与发送、与计算机的沟通、与软件的控制等几个方面。分析模块组成部分可以发现，GSM基带处理器相较于供电模块、闪存、天线接口等几个部分而言是TC35的核心，GSM主要负责处理终点内的语音与数据信号，并且在不需要额外增加电路支持的情况下，可以完成FR和EFR的编码工作。
在连接方式上，TC35与单片机需要采用串行异步通信接口，使用红外和通信电缆两种传输方式进行传输。在整体的传输设计过程中，红外接口的特点在于信号稳定，接口之间相互独立，使用方面抗干扰性强，不会对手机的通讯产生影响，缺点是传输的距离有限，传播的方向受到接口的限制。而电缆连接的通讯装置传输距离远，可靠性高，不过缺点在于传输接口的电气参数不兼容，设计过程中容易对手机的通讯产生影响。在接口的设计中，要分析家庭周围的环境，考虑接口信号对于家庭通讯设备的影响，选择合适的接口，应力求将红外接口与电缆接口进行结合，提高智能家居系统工作的效率。
(三)红外线应用设计
在系统设计的控制方面，可以加入更多的红外设计理念，在智能家居设计中，红外遥控器是被广泛应用的，但是在实际操作过程中，一个红外遥控器所针对的只是特定的品牌产品，遥控器之间的兼容性很差，在新型智能家居设计中，可以利用红外插座、红外开关等产品，将电器的操作信号与电信号进行混合，利用红外系统中的学习与记忆功能，使红外插座成为信号传递的枢纽，同时利用单片机对遥控器发射出信号的波形进行测量，然后对测量数据进行反馈，从而提高遥控器的效率，实现家庭智能控制系统的优化。
总之，在智能家居系统的设计中，首先要明确选择系统的性质，其次建立合理的设计流程。设计过程要符合信息技术的要求，并且最大化地提高用户的使用效率。在应用设计方面，分析传感器的种类并选择合适的连接端口，提高控制系统的灵敏度，并结合红外线感应技术，增强智能家居控制系统的完整性，使其能更好地提高人们生活质量。
智能家居控制系统范文2
智能建筑在我国经过十多年的发展，正面临着前所未有的大好形势。目前，绝大多数的智能家居产品尚处在发展初级阶段，系统集成程度低、动作联动性差、智能化水平差，甚至由于其功能的不完备，系统操作反而成为一种负担。为了解决这些问题，本文详细阐述了笔者亲身设计并实现的智能家居系统――分布式智能家居系统。
一、分布式智能家居系统构建背景
分布式控制系统DCS（Distributed Control System）采用多台控制分机分别承担不同的控制功能和处理范围，不仅其处理能力大大提高，而且将危害及系统安全的因素降低。由于智能家居系统具有监控点多、控制动作简单、设备分布散、系统逻辑关系复杂等特点，系统运行需要协调大量被监控对象之间的关系，这就需要应用一种适合该系统特点要求的控制理论。于是，本设计采用工业上广为使用的分布式控制系统来构建智能家居系统。系统采用分级模块的方式，可以使处理工作分散、协调工作统一、控制功能灵活机动、可靠性高、安装灵活方便。采用分布式控制技术，系统分类分区的监控可以分散系统处理器运算处理工作，减小误报、误控的发生。同时，分散的子系统各自独立工作，可以避免系统一处故障全体瘫痪的情形出现。
1. 分布式控制系统在智能建筑中的应用现状
DCS在智能建筑中的应用早已提出，所构建系统控制分机采用可靠性较高的PC机作为控制分机及主机，系统功能强大、可靠性高。但是，智能家居系统不可能采用多台PC机来构建分布式控制系统，这就要求必须有分散的控制处理单元。加之其处理工作繁琐但不复杂，故本文采用了处理能力简单的AVR单片机为模块处理器。所构建的系统功能适用、性价比高、功能稳定，完全可以达到要求。
2. 分布式智能家居的构建思路
智能家居系统的设备量大、分布散、需要监控的数量多，以及网络经济的逐步发展，必将改变目前这种家用电器单机运作的模式。同时又考虑到家用电器的摆放及使用的灵活性，我们研究并提出了采用分布式控制技术解决方案。根据DCS的特点与智能家居系统的功能需要，选用了ATMEL公司生产的8位AVR单片机――ATmega8。
考虑到同类分机模块的功能基本相同，我们设计了环境监测分机模块、监控分机模块、控制主机模块。最后，据各子系统不同的功能要求分别编制对应程序进行现场录制，从而使各模块真正具有功能齐全、经济合理、维护升级方便的特点。家庭内各个被控单元与控制功能模块连接，实现智能监控，并且各模块间建立联系，最终通过控制主机模块与PC机及电话等连接。主人可以通过遥控器、网络、电话等监控家庭安全及住宅环境状况，遥控家用电器的运行。
二、分布式智能家居控制系统的构建
为了综合利用资源，模块的设计采用了统分结合的指导思想，实现家居智能监控可以简化为监测处理信息和实现控制功能。为了满足家庭内所有监控功能，根据需要将所需监控对象根据位置划分，安装相应的分机模块。
1. 系统构建总体框架
系统功能根据监控任务的不同分为三类：环境状况监测功能；设备开关监控功能；信息处理及对外通信功能。据此，将家庭内各处设备分类分区控制，并且模块间均具有独立的通信及控制功能，可以相互协作（如图1所示）。例如，监测模块把所监测到的信息发送到总线上，控制模块接收并判断实现控制功能。控制主机模块与家用PC及电话互通信息，实现远程监控。
2. 系统构建模块
1）环境监测分机模块
设计环境监测模块，主要是因为环境参数受周围电器工作和安装位置的影响较大。为了防止检测误差，单独安装减小干扰作用。该模块负责监测住宅内外的所有环境信息，包括温度、湿度、亮度、烟雾、燃气、噪音、风速、空气质量、有人活动、玻璃破碎等参数。它还可以将所有的信息进行综合分析，最后将结果总结，决定该采取何种控制动作并发送到总线上，比如环境监测模块检测房间内的温度，同时与总线上传来的室外温度及天气情况进行逻辑分析。如果室外温度舒适而且空气质量好，未有刮风下雨等，则该模块就会发送打开该房间窗户的命令。相反，如果天气突然恶劣时，会发出关闭窗户的命令。
2）设备监控分机模块
该模块负责所分配区域所有设备的开关控制，并且进行设备控制效果监控。将房间内各个电器根据需要划分为若干个区域，使用一台分机控制。控制的内容主要为照明、空调、窗户、窗帘、电视、背景音乐及总电源开关等。分机接到命令或条件成立时，模块实施控制动作，并且检查控制效果。在正常运行期间，定时进行设备故障监测，并且随时汇报故障结果，同时进行故障记录。比如上述情况中环境监测模块发送打开窗户的命令时，相应模块便会打开窗户，同时检查是否成功打开，并且将结果发送到控制主机；如果有故障发生，则将故障结果发送到总线上等待处理，在未处理之前会隔一定时段再次汇报。
3）控制主机模块
控制主机模块为该系统的下位机的处理中心，它负责接收处理所有分机发送的信息，与上位机或电话联系，实现报警或远程监控功能。当控制主机配装液晶显示器时，主人可以方便查看各设备的工作状况、故障情况。并且，系统在没有上位机的情况下仍能独立的完成各项控制工作，从而保证了系统的可靠性及对环境的适应性。当发生紧急情况时，该模块要进行电话自动拨号报警。如果PC机打开的情况下还可以通过互联网报警、监视或监听等。
3. 系统通信方式
1）有线通信方式
该系统通信采用了RS-485总线。由于RS-485总线的可扩展性及工程安装的简单性、廉价性等特点，使得系统可以方便的实现各并联连接功能模块之间的通信，易于扩展、维护升级方便。保证了分机模块间的顺利通信协调工作之后，总线可以通过一个RS-485转RS-232器件与计算机通信，实现系统与局域网、互联网的互联。
2）无线通信方式
该系统还采用了无线通信方式。无线数据传输电路由Nordic公司的单片UHF无线数据收发芯片NRF401及其电路构成。NRF401采用FSK调制解调技术，其工作效率可达20kbit/s，且有两个频率通道供选择，并且支持低功耗和待机模式。它不用对数据进行曼彻斯特编码，其天线接口设计为差分天线，因而很容易用PCB来实现。采用该无线通信方式可以实现模块间通信，还可灵活布置无线探测器及控制器。完全采用无线通信方式可以方便进行旧住宅房改造安装，不会影响装修并且省去布线的工作和费用。
三、系统软件设计
本系统软件主要由系统主机和系统分机的AVR程序及系统上位机控制系统与Internet网络通讯程序组成。该系统正常工作时，用户可以完全不必干预，也可通过分机操作接口、上位机操作系统接口界面控制，或通过Internet及电话方式进行远程访问监控。
1. 下位机程序的编制
系统主机程序主要用于实现系统的总体通信调节控制功能，包括无线数据传输程序、分机采集汇报数据的收集处理转发、紧急电话拨号报警、双音频编解码程序、语音录放程序、串行通讯程序、铃流检测与摘挂机控制程序、系统初始化程序、意外事件处理程序及接收上位机控制命令及汇报数据等。程序编制以消息驱动为主导思想。消息由计数器中断1、外部中断0和串行中断产生，在中断服务程序中应按相应的状态位置位，而在消息循环中则应按相应的状态位调用功能函数，然后由功能函数将相应的状态位清0并完成所需功能，并最后返回到消息循环中。其程序流程如图5所示。该系统的分机程序和主机类似，故此不再详述。
2. 上位机操作系统及其与Internet网络远程访问程序的编制
上位机操作系统程序用C++语言在C++ Builder编译环境中编制，系统带有友好操作界面，可以通过鼠标方便的控制及查询任何家居设备的工作状态等。通过Internet访问部分通讯程序分为服务器和客户端两个程序。服务器程序主要完成客户端与系统主机通讯的中转，即将客户端发来的控制或者查询命令翻译成系统主机能识别的格式；或者将系统主机收到的报警等信息上传到客户端，主要通过Internet网络完成用户的控制功能。客户端程序是运行在远端用户的控制界面，主要用于完成家居内状态的显示以及对家居内电器的远程控制，同时使客户端直接连接到服务器。
四、结论
智能家居控制系统范文3
智能家居系统产品取代了传统的灯光及家电控制模式，在为您提供安全保障的同时，让您轻松享受生活。在外您可通过电话、电脑来远程遥控您的家居，例如在回家的路上提前打开家中的空调和热水器；到家开门时，借助门磁或红外传感器，系统会自动为您拉上窗帘、打开过道灯，让家处于最佳的状态迎接您的归来；回到家里，通过遥控器您可以方便地控制房间内的各种电器设备，设置所需的预置场景，让懂得生活的您有更充裕的时间来享受更舒适的生活。
二、系统功能介绍
家庭远程自动化控制和监控功能
现代家庭拥有越来越多的家用电器设备，家庭智能化系统可以对这些家电设备进行远程控制和监控功能。业主可以根据需要以及光线的变化来控制电器设备和照明灯光的开或关，使用者还可以控制家中空调设备的启停以及温度的高低。纵使控制主机故障，只要系统电源不中断，亦不影响其它家电设备及灯光的控制。避免因系统故障而对家居生活产生的影响。
多种控制方式
家庭智能化系统对家庭中的任何一件电器产品都可有五种控制方式来选择，即：
1）直接操作智能模块上的按键进行控制和调节；
2）在智能控制主机的键盘上输入操作码控制；
3）在户内通过射频（RF）遥控器进行控制和调节；
4）在异地通过电话进行远程控制；
5）在异地通过INTERNET网络控制。
系统状态监测
家庭智能化系统可以通过系统的控制状态反馈检测，以语音方式通知业主目前家中每个模块的运行状态，有效防止误操作，这一点是家庭智能化系统所特有的功能。当业主一旦进行误操作时，系统不但不会执行指令，同时还会通过语音方式提示操作者：“电源关或闭”。通过这一点就可以说明家庭智能化系统的卓越功能和智能水平。
联动联控
家庭智能化系统由于采用了控制网络技术，从而彻底改变了传统的控制方式。家庭智能控制系统可以实现的联动控制方式主要有以下几种：
1）场景控制：在很多情况下，我们希望能够通过灯光来营造美好的家庭气氛，使生活更加丰富多彩。然而好的灯光效果往往需要多个灯具共同作用才能实现。家庭智能化系统的场景控制功能可以将常用的各种场景模式保存起来，并把控制指令定义给任意一个开关模块的任意一个按键上，需要时只要按一下对应的按键，室内所有的灯具就会按照预先的定义产生动作，营造出主人希望的灯光效果和气氛。比如，当主人离开厨房前按下厨房灯光控制模块上的某一按键时，系统会将厨房、书房、客厅的灯光调暗，打开餐厅的灯光、关掉各个卧室的灯光，从而营造出就餐气氛。与此相类似，我们还可以定义会客场景、休闲场景、庆祝节日等场景的灯光照明模式；
2）报警联动控制：当室内发生报警时，系统可以在向外发出报警信息的同时打开室内的照明灯光、启动警号等；
3）设/撤防联动控制：当主人外出前启动安全防范系统的同时，系统可以联动切断某些家用电器的电源，比如关掉所有的灯光，切断电熨斗、电水壶、电视机等家用电器的插座电源等；
4）定时控制：家庭智能控制系统提供一个定时控制器。通过对定时控制器的设置，可以实现对系统各个模块的定时控制。比如根据定义，家庭饮水机可以在早餐前10分钟开启，并在早餐结束或上班前关掉饮水机，以此来延长饮水机的使用寿命、节能节源。
留言录音功能
智能家居控制系统范文4
随着21世纪的到来，特别是近年现代高科技和信息技术(IT)正在由智能大厦(IB)走向智能住宅小区，进而走进家庭(SH)。现代社会的家庭成员正在以追求家庭智能化带来的多元化信息和安全、舒适与便利的生活环境作为一个理想的目标。
1 国内外智能家居现状及发展趋势
智能住宅的概念起源于美国，美国的智能住宅发展是最为迅猛的。继美国之后，欧洲、日本、新加坡等国家住宅智能化也得到了飞速发展。
目前，家庭自动化（HA）在我国正在悄悄兴起，一些欧美著名的家庭自动化标准，例如LonWorks、CEBus和X-10等都先后被业界的先驱们介绍引进，对我国在该领域的技X发展起了积极的推动作用，有些事实上也成为我国在HA方面的标准。
2 基于APBUS总线技术的智能家居介绍
埃普总线技术（APBUS）是一种分布式控制网络（总线）技术及通信协议，主要用于网络化控制系统，特别是智能家居网络或智能住宅小区网络方面。它采用普通双绞线为通信介质，结合低压直流馈电/信号混合输送技术和无极性通信技术，使得所有与APBUS兼容的产品都可以实现无拓扑逻辑限制的网络连接。
APBUS是对现有HA技术做出改进后推出的一个家庭总线技术。APBUS智能控制系统集安防报警、灯光调光、场景设置、电器控制、无线遥控、SMS短信接收、电话及互联网远程控制等多种功能于一体。系统可广泛应用于现代家庭、高档办公场所、学校、医院及公共活动场所等电器、灯光及安防系统的智能控制。
3 基于APBUS总线技术的智能家居的控制原理、系统优势和系统结构
3.1 控制原理和系统优势
APBUS采用最简单的双绞线为通讯媒体，结合最先进的电源/信号混合输送技术和无极性通讯技术，使得所有根据APBUS技术制造，与APBUS兼容的产品/模块都可以实现无极性、无拓扑逻辑限制的网络互联。APBUS独有的听者可编程技术及多节点无冲撞随机数据访问方式和全分布式双向性网络，使其在建筑及住宅数字控制网络应用上体现了低成本、无干扰、高效率、高可靠性的特色。更使APBUS具备与众不同的高效率和可靠性。
3.2 系统结构
APBUS专用总线系统采用总线式的结构，主要由电源供应器、双绞线和功能模块三个基本部分组成。每个功能模块都是串连在双绞线上，互相的连接不分极性。如图 1 所示：
一根APBUS专用总线可以连接32个功能模块，如果功能模块超过32个，则需要另加一根总线，两根总线之间通过一个路桥器连接。如图 2 所示：
4 结语
我国发展水平与发达国家相比还有很大差距。目前还不能系统综合地考虑环保、节能、智能控制和低价格概念的智能型家居住房。但全国已建立了一些具有一定智能化功能的住宅和住宅小区。其内容涉及到居家办公、自动抄表、电子巡更、车库管理、家电遥控、给排水、电、区域照明、电子公告、广播及背景音乐、家庭一卡通等等方面。
参考文献
[1]Huang Geng.Mixed Mode Transceiver Digital Control Networks and Collision-Free Communication Method.US Patent App. 09/267,632.
[2]Wacks E P. Home automation and utility customer serbices[Z].Cutter Information Corporation,1998.
智能家居控制系统范文5
关键词： 智能家居； 短距射频网络； GSM； μC/OS?Ⅱ； 分段线性化
中图分类号： TN911?34； TP872 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）04?0145?04
Electricity control system in smart home based on RF network
YU Wei1， XIE Xing1， XING Yu?xiu2， CHEN Jian?xin3， GUAN Tu?hua1
（1. Engineering Training Center， Nantong University， Nantong 226019， China； 2. Qinggong College， Hebei United University， Tangshan 063000， China；
3. School of Electronics and Information， Nantong University， Nantong 226019， China）
Abstract： In view of the status quo that the popularizing rate of smart home products remains low due to their expensive prices， an electricity control system in smart home based on radio frequency network is proposed in this paper. With the system， users can control the sockets remotely by key triggering， SMS sending and timer setting. The relative socket will turn off the power and send a message as an alarm to a certain user automatically when indoor fire， gas leakage or other dangerous situation occurs. Optimum area using the remote?controller was obtained after comparing results of the bit error rates tested in different indoor regions. The experimental results show that the system is stable in operation and has high performance cost ratio.
Keywords： smart home； short?range radio frequency network； GSM； μC/OS?Ⅱ； piecewise linearization
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[1]。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[2]，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[3]，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[4?5]，一方面，它与插座节点组成了室频局域网，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 Cortex?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。
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1 遥控插座工作原理
图2 遥控器结构框图
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到±1/4 ℃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?2基于SnO2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[6]，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 Ω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RL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，最终接入控制器的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[7]。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4 700 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。
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[8]，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50 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/非平衡）电路，对芯片输出端的特性进行调节。
图6 时钟电路原理图
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，其电路如图8所示。
图7 射频收发电路
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。
图8 GSM通信电路原理图
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[9]，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。
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入的按键值，数据存入消息邮箱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，进而将信息送入邮箱，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=1”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。
图9 遥控器节点程序流程图
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[10]，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。
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。
图10 插座节点程序流程图
4 测试与分析
在图11所示住宅中进行现场测试，6个插座和1个遥控器被放置于A到G这7个区域内。为了评估系统的抗干扰能力，在各区域的交界处均放置两个干扰源，频率为432 MHz和434 MHz。改变遥控器所在位置，对6个插座各遥控200次，并记录插座端的回馈信号。若返回错误信息或不反馈，则作为一次丢包记录。
结果发现，遥控器在C、E两个区域平均误码率略高于其他区域；当遥控器在G区域时，平均误码率最低，效果最好。
图11 测试现场网络节点分布图
5 结 语
本系统实现了对家用插座的智能无线控制，在不改动原有家电内部结构的基础上，用户可以通过射频、短信、定时等方式，控制插座的通断电状态。当室内发生火灾或可燃气体泄漏等情况时，插座能自动断电。整个系统对控制对象没有特殊要求，适应性较强，不失为一种廉价的智能家居解决方案。
参考文献
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智能家居控制系统范文6
关键词：NIOSⅡ；SOPC以太网；智能家居
中图分类号：TP393.03
文献标识码：B
文章编号：1004―373X(2008)04―046―03
1 引 言
在现代家居环境中，随着照明、智能电器、安防等设备的日益增多，电气安装、控制线路也日趋复杂。在满足多功能要求的同时，安装简单、良好的扩展性和低廉的运行成本，成为现代智能家居系统技术发展的必然要求。随着计算机功能的日益强大和网络的普遍应用，人们对各种智能化产品的需求越来越强烈，家居智能化、网络化、远程化和系统化设计以其安全、舒适、便捷的服务而受到消费者的青睐。因此，智能家居控制系统有很大的发展潜力。
与其他同级别的CPU，例如ARM、MIPS和POWER―PC等处理器相比NIOSⅡ处理器有其明显的设计优势；能够随着设计者的需要自由定制，并且SoPC技术将处理器、存储器、I／O口等系统设计需要的功能模块集成在一个PLD器件上，构建成一个可编程的片上系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并且很好地利用IP复用技术，在SoPC Builder开发工具中包含NIOSⅡ处理器以及其他一些常用外设IP模块，可以很方便地将处理器、存储器和其他外设模块连接起来，形成一个完整的系统，具有极大的应用灵活性，并且对于系统升级来说也是相当方便的。
本文设计的智能家居控制系统采用基于NIOSⅡ的SoPC技术，结合NIOSⅡ软核处理器和CycloneⅡ开发套件实现。整个硬件系统包括核心的FPGA芯片，外部扩展的SDRAM，FLASH、各种输入／输出电路以及SMSC公司的LANglClll以太网接口芯片等。
2 系统设计
对于一个智能家居控制系统，需要满足照明灯光控制、智能家电、家电电源的本地或远程控制及安防监测控制等要求，本系统将通过FPGA、NIOSⅡ处理器、以太网以及扩展的外部电路实现对于家电环境的远程控制。
设计首先在FPGA上搭建主要的系统架构，然后在FPGA搭建系统扩展电路，包括SDRAM，FLASH以太网接口电路，其次利用Visual Basic编写桌面控制软件通过以太网来控制系统，实现对于系统电路的远程控制。同时，可以通过系统的输入按钮向远程客户端发送信息，通过桌面软件接收信息并显示，实现两端的消息通讯。由于系统利用以太网来进行数据的传输和处理，将智能家居控制系统和目前功能日益强大的计算机以及广泛应用的互联网紧密结合在一起，具有更强大的功能性以及使用的方便性。
3 系统硬件电路设计
Altera的NIOSⅡ处理器设计突出优点表现在他的灵活性和可裁减性上，系统提供了大量IP，设计者可以任意对IP进行选择，同时，用户也可以根据需要定制自己的IP，实现自己所需要的功能。图1表示本系统设计中CycloneⅡ芯片的内部配置情况以及与设备的连接情况。
在本系统设计中，主要使用了如下的Altera IP，并对其进行相应设置：
(1)NiosⅡProcessor：该IP是系统处理器模块，作为整个系统运行的控制处理核心；
(2)FLASH Memory(CFI)：该IP是外部存储器FLASH控制接口模块，完成对FLASH的时序控制；
(3)DDR SDRAM Controller：该IP是外部存储器DDR SDRAM的接口控制模块，完成对DDR SDRAM的时序控制；
(4)JTAG UART：该IP完成在主机PC和SoPCBuilder系统之间的字符流传输，进行程序的下载，以及硬件软件的在线调试；
(5)LAN91Clll Interface；该IP是外部以太网芯片接口模块，完成NIOSⅡ系统对外部LAN91C111网卡芯片的控制，进而实现系统的以太网数据传输；
(6)Character LCD：该IP是外部LCD的接口控制模块，完成对外部液晶模块显示的控制；
(7)PIO：该IP是通用I／0控制模块，用来控制外部的输入输出；
(8)Interval timer：该IP是系统的定时器模块，完成对系统时间的处理。
在选定系统需要的IP资源后，就可以通过SoPCBuilder很快地在FPGA上构建一个嵌入式系统。首先，定制软核处理器，设定为standard标准型NIOSⅡCPU，4 kB指令缓冲器，支持JTAG下载调试；16 M FLASH用来存放用户数据和程序；16 M DDR SDRAM用来作为系统运行时程序的存储空间；定制Avalon三态总线架构，将LAN91Clll设置为Avalon总线的从器件，通过Avalon总线与NIOSⅡ系统相连，并定制LAN91C111的驱动模块，实现系统对于该芯片的控制。
搭建完系统的模块后，需要为各个模块设定中断号，让CPU在运行过程中判断内部和外部各种中断的优先级，其中系统定时器的中断优先级最高，然后各个模块的中断优先级从高到低依次为JTAG模块、外部按钮输入、EPCS配置芯片、LAN91Clll芯片。同时需要将FLASH存储器的基地址设为0x000000，以便使系统每次都能从FLASH中开始执行指令。这样，在使用SoPC Builder中的组件编辑器将用户外设和系统连接起来后，就可以运行SoPC Builder生成系统的硬件描述语言文件，编写相关的Verilog HDL模块，将系统模块和外部器件连接，然后通过QuartusⅡ软件编译整个FPGA设计项目。
4 系统的软件程序设计
在智能家居控制系统中，需要完成网络数据传输和控制控能，因此在软件设计中，需要完成2个方面：网络服务功能，建立客户端和本系统之间的网络连接；响应以太网消息数据，进行对应的电路控制。
在设计中使用LwIP(Lightweight TCP／IP Stack)组件实现系统的网络控制功能，同时需要移植操作系统支持LwIP组件的使用，在系统中选择移植μC／OS－Ⅱ操作系统，在软件的设计中添加上RTOS和LwlP这2个组件，就能很方便地实现本系统的网络数据传输与控制功能。
在NiosⅡIDE中建立新的工程后，首先在“System Library Properties”(系统库属性)中选择RTOS Options进行操作系统的参数设置。在μC／OS－Ⅱ中除了用户创建的任务外，系统还自带2个必须的任务，分别为统计任务和空闲任务，用来进行系统的管理，所以考虑以后系统升级的方便，在对系统最大任务数进行设置时，最大任务数设为10。同时最低优先级设为20，在这里数字越高代表任务优先级越低，这个参数不受限于系统所带的任务数。然后，在系统库属性中选择Software Components进行LwlP网络协议栈的参数设置，在系统中使用的协议有UDP和TCP协议，并使用DHCP服务完成对系统自动分配IP的功能，其他参数保存为默认值。对μC／OS－Ⅱ和LwIP设置完成后，就是编写系统的相关功能任务。
在系统中主要设计了4个自定义任务，分别为：
(1)系统初始化管理任务：用来初始化操作系统的数据结构和创建其他任务。该任务在初始化完成后自动删除。
(2)网络DHCP服务管理任务：主要用来检查DHCP服务是否成功，即系统是否成功分配到IP。该任务在完成后也自动删除。任务流程图如图2所示：
(3)远程控制管理任务：主要用来在服务器和客户端之间建立Socket连接，在服务器端接收从客户端发送来的控制命令，并判断这些命令来进行相应操作。任务流程图如图3所示：
(4)服务器端中断管理任务：主要在服务器端处理用户产生的各种中断，然后向客户端发送相应命令执行对应操作。任务流程图如图4所示。
5 远程终端的桌面软件设计
在系统的硬件和软件设计都完成后，为了进一步完善系统功能，以及提高使用的方便性，需要在客户端编写一个专用的界面软件，代替客户端命令行的操作，远程用户界面是利用Visual Basic 6.0来完成开发。Windows操作系统为Internet提供Windows Sockets(或Winsock)等标准接口，而VB则利用ActiveX控件Winsock为Internet提供标准接口，所以使用VB的Winsock控件来完成本软件开发非常方便。
从软件界面可以看到，在系统使用中通过“启动连接”按钮建立本地计算机和智能家居控制系统间的网络连接。在“信息接收”对话框中可以接收并显示从智能家居控制系统端发送过来的消息，在“命令发送”栏中可以选择不同的服务通过智能家居控制系统响应对应的操作。
6 系统性能分析和功能验证
利用QuartusⅡ软件对设计的系统进行综合分析后可以知道，采用CycloneⅡEP2C35F672C6型号的FPGA设计的系统占用整个FPGA的资源是比较少的，使用3 658个逻辑单元，占总资源的11％，使用了52 224 b存储单元，占总存储量的10％，显示了FPGA的强大功能，利用剩余的资源可以进行后续高级功能的扩展。
在系统功能验证中，设计2组电路来验证系统的功能。设计外部发光二极管LED电路验证“开灯1”按钮功能，模拟系统对灯具的控制作用；设计外部红外信号发射与接收电路来(包括1对红外发光二极管和红外接收二极管电路)验证“开家电1”按钮功能，模拟系统对红外家电的控制作用。在实际测试中，电路工作良好，利用FP―GA引脚输出3.3 V电压作为外部电路的电源。当通过本地的桌面软件建立本地计算机和智能家居控制系统间的网络连接后，可以利用软件上的操作按钮方便地远程控制LED电路和红外发射接收电路，同时可以利用智能家居控制系统的输入按钮向客户端发送消息，并显示在客户端软件上，实现两端的相互通讯。
