物聯(lián)網(wǎng)智能家居無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

姜永增，董 晶，宋廣軍，吳 迪

JIANG Yong-zeng1，DONG Jing2，SONG Guang-jun1，WU Di1

（1.齊齊哈爾大學(xué) 計算機系，齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學(xué) 教育技術(shù)系，齊齊哈爾 161006）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線智能家居系統(tǒng)將成為智能家居系統(tǒng)發(fā)展的主流之一。智能家居系統(tǒng)使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不但克服了有線系統(tǒng)的高成本和不方便等缺點，而且使用方便，能夠快捷的管理家務(wù)、監(jiān)測家居環(huán)境、遙控家用電器等。本文分析了智能家務(wù)無線控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一個小型智能家居無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，詳細介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計和軟件編寫。實踐表明，采用nRF24E1無線模塊搭建智能家居無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有成本低、功耗低、快速、開放的特點，有很強的推廣價值和廣闊的市場前景。

1 SoC無線射頻模塊nRF24E1

nRF24E1是北歐集成電路公司（NORDIC）推出的一款帶2.4GHz無線收發(fā)器和增強型8051內(nèi)核的無線收發(fā)模塊，適用于各種無線設(shè)備的短距離互連應(yīng)用場合。該模塊工作于2.4GHz的ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段，有多達125個頻點，能夠?qū)崿F(xiàn)點對點、點對多點的無線通信，同時可通過改頻、跳頻來避免干擾。nRF24E1集成度非常高，內(nèi)部集成了增強型51內(nèi)核，2.4GHz無線收發(fā)器，100Kbps的9路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，UART接口，SPI接口、PWM輸出，內(nèi)置RC振蕩器、看門狗和喚醒定時器以及專門的穩(wěn)壓電路。所有高頻元件包括電感、振蕩器等都集成在芯片內(nèi)部，因此芯片的性能穩(wěn)定，受外部環(huán)境的影響小。收發(fā)器的功耗相當(dāng)?shù)停l(fā)射模式下，射頻電流消耗僅為10.5mA，接收模式下僅為18mA。

基于以上特點，本系統(tǒng)采用nRF24E1作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制核心和無線收發(fā)器。

2 智能家居無線控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

本文僅以一個被控系統(tǒng)和一個環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為例進行簡單說明，其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點略去。

本系統(tǒng)采用星形拓撲結(jié)構(gòu)，主要由主控系統(tǒng)、被控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)幾個部分組成。被控系統(tǒng)由多個被控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)成，被控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點又由被控?zé)o線模塊和家電組成，具體實現(xiàn)方法就是為每一個需要進入智能家居控制系統(tǒng)的家電通過接口設(shè)備，如智能開關(guān)等安裝被控?zé)o線模塊。被控?zé)o線模塊的控制核心也是nRF24E1。主控系統(tǒng)由主機和主控?zé)o線模塊組成，其中主機可以采用嵌入式系統(tǒng)芯片，也可以采用PC機；主控?zé)o線模塊由nRF24E1擔(dān)當(dāng)控制核心。

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由多個環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)成，每一個節(jié)點由無線模塊、環(huán)境監(jiān)測傳感器和一些外圍器件構(gòu)成。同樣，環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制核心仍然由nRF24E1擔(dān)當(dāng)。

系統(tǒng)工作原理為：主控系統(tǒng)的主機發(fā)出指令，主控?zé)o線模塊將指令無線傳送到被控系統(tǒng)，被控?zé)o線模塊將接收到的指令由接口設(shè)備傳給家電，控制家電的運行，如自動窗簾的打開和關(guān)閉等。對于環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，由環(huán)境監(jiān)測傳感器采集當(dāng)前環(huán)境中的數(shù)據(jù)，如空氣中煤氣含量、溫度、濕度、光強度等，一旦發(fā)生煤氣泄漏、失火等突發(fā)情況，可以將報警信號通過無線模塊傳送至主控系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)下達命令，如打開消防開關(guān)、打開排氣系統(tǒng)等。另外，對于普通家居生活，用戶可根據(jù)需要設(shè)定一定的控制命令，如溫度降低，自動打開空調(diào)加溫；光線變暗，自動打開電燈開關(guān)等。

3 智能無線家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件組成

被控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 被控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

對于家用電器來說，安裝被控?zé)o線模塊需要來自于各個領(lǐng)域的技術(shù)支持，且因家用電器種類不同而不同；同樣，對于各種不同的環(huán)境監(jiān)測傳感器來說與微處理器的接口也各不相同。本文主要介紹無線模塊的硬件組成，其硬件原理圖如圖3所示。

其中，nRF24E1的電源由MAX856提供，MAX856是一種高效的CMOS升壓DC-DC電壓源變換器，其輸入電壓0.8-6V，輸出電壓為3.3V或5V，本設(shè)計中輸入電壓可由電池提供，輸出電壓選擇3.3V。

由于nRF24E1內(nèi)部只有一個512Byte的ROM，使用過程中需要擴展片外存儲器，采用32K串行EEPROM 25AA320作為片外存儲器，存放nRF24E1運行所需的主要程序。系統(tǒng)上電后，512字節(jié)ROM引導(dǎo)程序?qū)EPROM中存儲的程序下載到4KB RAM的程序運行空間，另外256字節(jié)RAM用于數(shù)據(jù)存儲器。

對于被控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計，只需在圖4的基礎(chǔ)上增加與家用電器的接口電路即可，其信號無非兩類，一類是數(shù)字信號，可由nRF24E1的雙向I/O口接入，另一類是模擬信號，可由其模擬輸入口AIN0——AIN7接入，利用nRF24E1自帶的A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

圖3 無線模塊硬件原理圖

4 智能無線家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件設(shè)計

nRF24E1有多種工作方式，可以通過PWR_ UP、CE和三個控制引腳設(shè)定。當(dāng)PWR_UP=1、CE=1、CS=0時設(shè)定其為ShockBurst模式，此模式不需要昂貴高速的CPU處理數(shù)據(jù)，應(yīng)用片上FIFO緩沖器，以較低的速率寫入數(shù)據(jù)，較高的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，達到了節(jié)電目的，并且具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率。

系統(tǒng)工作機制可采用主控系統(tǒng)輪詢和突發(fā)事件報告機制。其工作流程為：主控系統(tǒng)每隔一定的時間向每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送查詢命令，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點收到查詢命令后，向主控系統(tǒng)回發(fā)數(shù)據(jù)。如發(fā)生緊急事件，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以主動向主控系統(tǒng)發(fā)送報告，由主控系統(tǒng)進行處理并發(fā)出相應(yīng)報警信息。主控系統(tǒng)可以對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的閾值參數(shù)進行設(shè)置，以滿足不同用戶的需要。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點打開電源，初始化，申請加入網(wǎng)絡(luò)后，直接進入休眠模式，當(dāng)主控系統(tǒng)收到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的中斷請求時，觸發(fā)中斷，激活網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，接收信息，處理完畢后繼續(xù)進入休眠狀態(tài)，等待有中斷請求時再次激活。若有多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同時向主控系統(tǒng)發(fā)送中斷請求時，主控系統(tǒng)來不及處理而丟掉一些請求，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)現(xiàn)自己的請求沒有得到響應(yīng)后幾秒鐘將再次發(fā)送請求，直到得到主控系統(tǒng)的響應(yīng)為止。

所以，被控節(jié)點處的程序要有以下功能：向主控系統(tǒng)發(fā)出加入網(wǎng)絡(luò)的申請；監(jiān)測空氣中的無線信號，并判斷是否有發(fā)給本節(jié)點的控制、查詢、設(shè)置命令；執(zhí)行相應(yīng)的控制、查詢、設(shè)置命令；發(fā)送和接收無線信號。

根據(jù)上面的設(shè)計思路，我們設(shè)計出如下程序流程圖，如圖4所示。

圖4 被控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點程序框圖

監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件部分主要負責(zé)對傳感器采集的信號進行A/D轉(zhuǎn)換并判斷采集的結(jié)果是否達到報警值，若達到則進行報警處理。利用nRF24E1內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。同時，監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為系統(tǒng)的一個分節(jié)點，在開始之前也要先加入網(wǎng)絡(luò)中，并接受主控系統(tǒng)的控制，執(zhí)行相應(yīng)的查詢、控制功能。

5 結(jié)束語

根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能家居的特點，提出了基于nRF24E1的智能家居無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)成方案，詳細介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件組成和軟件編寫。由于nRF24E1的集成度高，功耗低，使其應(yīng)用系統(tǒng)更為簡化，大大增強了無線系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時開發(fā)也變得更為簡單，成本進一步降低。實驗表明，該系統(tǒng)的配置合理，通信協(xié)議簡單，功耗低，有良好的市場前景。

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