無線智能家居控制系統(tǒng)的設計探討

1、<p>　　無線智能家居控制系統(tǒng)的設計探討</p><p>　　[摘 要]本文主要研究了一種無線智能家居網絡系統(tǒng)，它基于nRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸芯片，并使用 STC12C5A60S2 增強型 51 芯片起微型控制器的作用，用RS-232接口和nRF24L01提供的無線連接來掌控各部分相互的聯(lián)系和通信。本文對該系統(tǒng)分析之后又重點探討了本系統(tǒng)的總體架構以及如何設計主要硬件模塊。 </p>

2、<p>　　[關鍵詞]無線數(shù)據(jù)傳輸芯片；設計探討；接口 </p><p>　　中圖分類號：TP203 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）26-0216-01 </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　智能家居系統(tǒng)是以住宅為平臺，通過計算機網絡把安防系統(tǒng)、家電、娛樂設施及照明設備實現(xiàn)現(xiàn)場或者

3、遠程控制等現(xiàn)代智能化家居環(huán)境。針對現(xiàn)代家居中譬如家用電器種類繁多，操作繁瑣以及難以科學管理等問題，本文結合無線電通信技術和計算機控制等技術，探討一種無線智能家居控制系統(tǒng)的設計，使該系統(tǒng)實現(xiàn)對家用電器協(xié)調統(tǒng)一地控制。 </p><p><b>　　一、概述 </b></p><p>　　現(xiàn)代科技迅猛發(fā)展，隨之而來的智能家居日漸強勢，以其新穎優(yōu)異的特性為當今社會的人們的家

4、庭起居帶來了極大的方便和全新的理念，它注定代表著一種引領未來的趨勢。設計者開發(fā)的家庭總線技術將把家用電器、通訊設備以及家庭保安裝備等多種和信息相關聯(lián)的智能家居連接到一個智能系統(tǒng)上，然后對其采取集中的或多分散地監(jiān)控與家務性質的管理，同時還要保證這些智能的家庭設施跟現(xiàn)實中的居住環(huán)境相協(xié)調。其實，這些功能的實現(xiàn)主要依賴于智能家居控制系統(tǒng)中的家庭網絡控制器，家庭總線系統(tǒng)屬于這種家庭網絡控制器，并通過它來為使用者提供各種優(yōu)質服務，同時居住地之外的

5、外部環(huán)境也與之相通連。換言之，智能住宅的核心就是智能家居系統(tǒng)，因此，智能家居系統(tǒng)在智能家庭中處于異常重要的地位。 </p><p>　　有線方式和無線方式是智能家居系統(tǒng)控制的兩種解決方法。因為大多智能家居系統(tǒng)在工程布線方面十分麻煩，因此很多智能家居公司就著眼于解決這個問題來研發(fā)新的系統(tǒng)。伴隨著它的問題是較差的保密性、接入設備甚為昂貴、很難滿足音頻與視頻信號的傳輸?shù)?，雖然這些難題直到目前還沒有得到真正的、完美的解決

6、，但是它終將伴隨著4G網絡技術的逐漸成熟而得到更好的改善和應用。即便價格稍微高一些，無線方式確實能很好地解決布線工程繁瑣的問題，并且隨著網絡技術的進步必能滿足音頻信號與視頻信號的基本傳輸。接下來將以2.4G射頻技術作為基礎，介紹一種性價比較高的、性能相對完善的智能家居控制系統(tǒng)。 </p><p><b>　　二、設計方案探討 </b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)

7、總體結構及工作原理 </p><p>　　智能家居系統(tǒng)包含各家電設備和接口設備、主機和從機，主機和從機都具有一個無線收發(fā)芯片，主從機間通過收發(fā)無線數(shù)據(jù)來構建一種范圍較小的的無線智能網絡。網絡協(xié)議、系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)硬件是無線智能家居控制系統(tǒng)總體設計的三個主要組成部分。 </p><p>　　設計電路時的原則是要采用通用性、模塊化設備，關于網絡協(xié)議時參考OSI模型，同時結合nRF24L01芯片的

8、特質。用一個系統(tǒng)主機來構建，本系統(tǒng)是以單片機為核心的，中心處理單元（CPU）的作用是處理系統(tǒng)的信號，選用集中控制技術作為控制方式，系統(tǒng)設備需要進行硬件功能的劃分，各硬件模塊都具有雙向交互通信的能力、互換性和互相操作性，統(tǒng)一設計、統(tǒng)一接口，它們的控制部件都可以進行編程，從而保證了模塊的實用性和通用性，有利于系統(tǒng)安全穩(wěn)定。 </p><p>　　nRF24L01（一種新型單片射頻收發(fā)器件），提供物理層數(shù)據(jù)服務和物理層

9、管理服務，定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口。nRF24L01是一種2.4GHz單片射頻收發(fā)芯片，包含頻率調制器、合成器、晶體振蕩器等功能，采用FSK調制，可實現(xiàn)點對點或是1對6無線通信。程序可以配置nRF24L01的輸出功率和通信頻道，有125個可選工作頻道，可用于跳頻，頻道切換時間短，通過跳頻可以減少干擾。對nRF24L01進行信道參數(shù)配置是通過MCU通過串口實現(xiàn)的，由nRF24L01來實施配置任務，然后發(fā)送大量數(shù)據(jù)包的指令由

10、主機完成，最后從機接收數(shù)據(jù)信息，整個過程從機和主機是借用空中接口來發(fā)送與接收數(shù)據(jù)信息包的，執(zhí)行MCU的指示任務，故才能完美地控制家電。圖l為系統(tǒng)總體框圖： </p><p>　　2.2 串口通信單元設計 </p><p>　　STC12C5A60S2增強型51芯片有一組串行口接口，3根通信線連接便能實現(xiàn)較普通的串行通信，發(fā)送是TXD串行數(shù)據(jù)，接收是RXD串行數(shù)據(jù)，還有GND信號地線。 &l

11、t;/p><p>　　2.3 硬件電路設計 </p><p>　　在2.4G網絡中控制中心節(jié)點如同協(xié)調器節(jié)點，擁有節(jié)點的管理，2.4G網絡的建立等任務的功能。在本系統(tǒng)中，控制中心節(jié)點對接受的數(shù)據(jù)進行處理，并通過RS-232串口與PC機連接通信以及通過，以及鍵盤輸入和液晶顯示。 </p><p>　　2.4 無線收發(fā)模塊 </p><p>　　結合

12、硬件設計要求的多種因素，在智能家居設計中，采用的射頻片nRF2401是工作在2.4GHz頻段的。 </p><p>　　把功率放大器，頻率合成器，調制器以及晶體振蕩器這些功能模塊放置在芯片內，使射頻片nRF2401在2.4～2.5GHzISM頻段內工作，通過程序配置通信頻道和輸出功率。工作電流在接收時才18mA，在以-5dBm的功率發(fā)射時也僅為10.5mA，芯片的能量損耗不高，多種低功率工作模式很大程度上方便了節(jié)

13、能方面的設計。nRF2401可以在使用同一天線的情況下，能夠兩個不同頻道的數(shù)據(jù)都能被同時接收，這是因為DuoCeiverTM技術使它具有了這樣的優(yōu)點。 </p><p>　　2.5 傳感器電路設計 </p><p>　　時鐘模塊、電源模塊、傳感器模塊、無線模塊構成了主要的傳感器節(jié)點硬件。各個傳感器節(jié)點所發(fā)送過來的信息是由控制中心節(jié)點通過nRF24L01無線模塊接收的，并通過串口模塊，把信息

14、發(fā)送到上位機，使用的人直接從上位機的軟件界面上獲取所有數(shù)據(jù)。 </p><p><b>　　三、結語 </b></p><p>　　本文總體設計了一種無線智能家居控制系統(tǒng)，系統(tǒng)節(jié)點控制器選用硬件電路中簡單的增強型STC芯片，系統(tǒng)的安全性以及效率得到有效提高，數(shù)據(jù)傳輸是靠無線網路芯片nRF24L01來完成的。這個系統(tǒng)成本較低，使用方便，功耗超低，有良好的拓展性而且使用效

15、率高、穩(wěn)定可靠，集便于攜帶、更加開放、便于協(xié)作、交互性強等優(yōu)秀特點于一身。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] 黃盛.智能配電網通信業(yè)務需求分析及技術方案[J].電力系統(tǒng)通信，2010（6）：10-12； </p><p>　　[2] 木樹娟，黃銘，余江，等.智能電網通信標準分析及關鍵技術探討[J].電

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