一種智能家居遠程控制系統的硬件設計*

曾國敬,宋 躍,何志輝

(東莞理工學院 電子工程學院，廣東 東莞 523808)

智能家居技術在近幾年得到了較快的發展，但現有的設計大多采用有線組網的方式，布線繁復且不美觀，采用315 MHz無線方式組網可減少布線,但315 MHz通信方式帶寬窄且容易受干擾。2.4 GHz通信速率高且可通過跳頻方式減少相互之間的干擾，在2.4 GHz應用芯片已經大量生產的今天，采用2.4 GHz的通信方式已成為家電類產品無線通信的趨勢。

據統計，目前國內手機的使用已經極其普遍，用戶已經超過7億。用短信方式給用戶發送信息要比通過計算機網絡發送實時性更高。

nRF24L01是NORDIC公司設計的一款新型單片2.4 GHz射頻收發器件，TC35是SIEMENS公司的一款 AT指令操作的GSM模塊,操作簡單。本文介紹一種基于nRF24L01和TC35的智能家居監控系統，它通過nRF24L01以無線方式組網，工作穩定且無繁復的布線，能將緊急情況通過短信方式告知用戶。

1 系統結構

本系統由一個主控機和多個從機組成，集成的功能包括定時自動開關電器、下雨自動關窗、紅外入侵檢測報警、可燃氣泄漏檢測報警并自動開窗、通過短信可遠程控制家里電器以及異常情況發送短信告知用戶等。

系統結構框圖如圖1所示。主控機和多個從機通過2.4 GHz無線模塊構成星型結構的無線微網絡。主控機作為微網絡的中央節點，各監測模塊或控制執行模塊作為從機節點通過微網絡與主控機相連。主控機接收處理各從機發來的數據并通過無線微網絡控制各從機。此外主控機還通過液晶屏提供用戶操作界面和通過TC35模塊提供用戶短信控制接口。這種結構以主控機為中心，結構簡單，管理和控制方便，網絡延遲時間短，數據傳輸誤差低，可靠性高。

圖1 系統結構框圖

2 系統設計

2.1 2.4 GHz無線微網絡的組建

2.1.1 器件選擇

通常的智能家居系統中使用的控制網絡的組網方案分有線傳輸和無線傳輸兩種方式。有線傳輸方式依靠電纜連接，優點是連接穩定，信息交換速率和效率高，但是需要布置專用線纜，布線麻煩，安裝維護成本高，增減設備需重新布線，可移動性差且影響美觀。在無線傳輸的方式中，包含315 MHz免執照頻段、藍牙技術和ZigBee技術。315 MHz免執照頻段通信易受干擾,藍牙技術和ZigBee技術成本高，且協議開銷大。綜合考慮以上因素，本設計采用NORDIC公司的2.4 GHz射頻收發器件nRF24L01來提供數據交互以組建無線微網絡。

nRF24L01是NORDIC公司生產的2.4 GHz單片射頻收發芯片,采用FSK調制,內嵌NORDIC公司的 Enhanced Shock Burst協議，內置鏈路層，可實現點對點或是1對6無線通信。有125個可選工作頻道，頻道切換時間短，可用于跳頻，通過跳頻可以減少干擾。

2.1.2 nRF24L01模塊接口設計

nRF24L01為SPI接口器件，與單片機的接口電路如圖2所示。圖2中，CE為模式控制端，CSN為片選端(低電平有效)，SCK為控制時鐘線 （SPI時鐘），MOSI為主出從入數據線(Master Output Slave Input)，MISO為主入從出數據線(Master Input Slave Output)，IRQ為中斷信號。電源電壓通過AMS1117穩壓為3.3 V后為nRF24L01供電。

圖2 nRF24L01模塊與單片機接口電路圖

2.1.3 nRF24L01收發模式選擇及操作流程

nRF24L01可選擇的收發模式有Enhanced ShockBurst收發模式、ShockBurst收發模式和直接收發模式三種。Enhanced ShockBurst收發模式下，nRF24L01使用內嵌的雙向鏈接協議，發送時自動生成前導碼和CRC校驗碼，并等待應答信號，接收到數據時校驗數據并發送應答信號。若數據丟失，發送端沒接收到應答信號，則通過重發功能將數據恢復。本設計中采用Enhanced ShockBurst收發模式。

nRF24L01具體的操作流程如圖3所示,在對nRF24L01進行讀寫操作前,應先將nRF24L01模式置為待機模式,然后才可通過SPI口對nRF24L01進行操作。

圖3 nRF24L01操作流程

2.2 主控機的硬件設計

主控板的硬件結構如圖4所示。

圖4 主控機硬件結構框圖

主控機完成對各分機發來的信息的處理，將控制信號發往各個分機，并通過液晶提供用戶界面和通過GSM給用戶提供遠程操作接口。

由于主控機部分需要處理較多的數據，存儲空間需求大，但對于接口方面要求不大，所以主控機的控制芯片使用STC89C58RD+單片機，其內部有32 KB的Flash、1 KB的RAM和16 KB的EEPROM，32 KB的Flash滿足程序的下載空間，1 KB的RAM和16的EEPROM滿足程序運行時數據的存儲，節省了外部存儲器。

主機通過I/O口與STC89C52RC單片機通信控制GSM模塊。STC89C52RC單片機接收來自GSM模塊的數據并處理后傳至STC89C58RD+,把STC89C58RD+發送的指令處理后控制GSM模塊把信息告知用戶,這樣設計減小了主控板上微處理器的工作負擔,使系統的運行更流暢。

STC89C58RD+通過SPI接口與nRF24L01連接,通過nRF24L01與各從機交互信息,并通過液晶屏顯示提供用戶的操作界面。

為了提供用戶操作界面，采用液晶屏來顯示相關信息，液晶屏采用飛利浦的PCD8544液晶顯示屏，PCD8544為 48×84點陣的LCD,可顯示3行8列漢字。采用3.3 V供電。

要實現定時控制功能，則必須有一個實時時鐘作為參考，且該時鐘需要在掉電時還能繼續運行。常用的實時時鐘芯片有DS12887和 DS1302,為了降低成本，使用 DS1302時鐘芯片作為實時時鐘,將3 V鋰電池接至DS1302的后備電源腳VCC1作為后備電源，以提供在斷電時時鐘的正常運行。

用DS18B20作為環境溫度傳感，為了給DS18B20的數據口提供足夠的上拉電流,用4.7 kΩ的電阻上拉到 5 V電源。

2.3 GSM部分

GSM部分采用SIEMENS的TC35模塊作為GSM無線通信模塊，使用STC89C52RC作為控制芯片。TC35模塊中包括完整的RF電路和GSM基帶處理器，基帶處理器處理模塊內所有的信號和數據傳輸，并且通過內部軟件運行所有的GSM協議，最終以UART串口形式提供對外接口。TC35模塊通過40PIN的ZIF連接器和用戶連接，提供包括電源接口、串行數據接口和SIM卡接口在內的多個應用接口。

2.3.1 TC35供電設計

TC35的工作電壓輸入端VBATT+,電壓范圍為3.3 V～5.5 V，最大工作電流Imax可達2 A。工作時，最大的電源電壓掉落不能超過400 mV，否則TC35將認為電源供電不足，自動復位而停止工作。

由于VBATT+引腳的峰值電流可達到2 A,而且由于連接TC35模塊的扁平柔性連線的內在固有阻抗的存在，當一個GSM發射脈沖到來時,可能會引起相當大的電壓跌落。為了保證TC35在工作時電壓跌落值在400 mV之內，采用盡可能短的連接模塊和ZIF座的扁平柔性FFC電纜及低輸出阻抗的電源。

如圖5,穩壓芯片采用最大電流可達3 A的單片穩壓芯片LM2576-Adj，以給TC35提供充足的電源。由U1、D2、L1、R1、R2 構成的穩壓電路穩壓給 TC35 供電。由于LM2576的基準電壓為 1.23 V，R1和 R2分別取5.1 kΩ 和 2 kΩ，則:

最終以4.37 V給TC35供電。

2.3.2 TC35控制接口電路

用STC89C52RC作為TC35的控制芯片，將結果處理后通過4根I/O口與主控板通信，減少主控部分的運行負擔。

STC89C52RC通過串口操作TC35，TC35接口電平為2.5 V左右，為了加強抗干擾能力和方便在PC上調試，使用MAX232作為電平轉換，轉換為RS232電平,如圖6。STC89C52RC再通過轉換后的電平與TC35通信。

圖6 TC35電平轉換電路

2.4 從機設計

2.4.1 智能窗設計

智能窗部分包括電機控制電路、降雨檢測模塊、紅外入侵模塊、按鍵和無線模塊，如圖7。

圖7 智能窗硬件結構框圖

智能窗以STC12C2052AD單片機為控制器，通過雨水檢測、無線數據檢測、紅外入侵檢測實時采集現場環境數據從而確定單片機是否要執行某個動作。通過程序控制，可以實現在下雨時自動關閉窗戶，防止雨水淋到室內，在接收到室內可燃氣體含量過高的報警信號時自動打開窗戶，增加室內的空氣流通，防止用戶由于吸到室內的可燃氣體而中毒，并能預防火災的發生。此外該窗戶的紅外入侵檢測模塊可以檢測是否有人非法闖入。

雨水檢測模塊由PCB板制成，連接至STC2052AD的A/D轉換口,單片機通過檢測電壓來判斷是否有降雨。

2.4.2可燃氣檢測設計

本系統采用MQ-2傳感器。該傳感器加熱電源為5.0 V±0.2 V，加熱功耗不到 900 mW，因此無需另外提供電源。MQ-2氣體傳感器由微型AL203陶瓷管、SnO2敏感層,測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，2個用于提供加熱電流。

電路主要通過調試可變電阻調節煙霧傳感器的靈敏度，通過STC12C2052AD單片機進行A/D采樣及處理。如果檢測到有可燃氣體，立即通過無線模塊發送指令給主控板，主控板識別后通過無線模塊發送指令給智能窗，智能窗收到指令后，馬上打開窗戶，增加室內空氣流通；通過控制STC89C51單片機控制GSM模塊發送警告信號到用戶指定的移動終端告知用戶。

2.4.3 紅外入侵檢測設計

本系統的入侵檢測采用熱釋電被動式紅外傳感器，該傳感器將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內部相互抵消的原理來使傳感器得到補償，使傳感器對環境背景輻射的干擾不敏感。在它的輻射照面覆蓋有只能透過特定波長紅外線的濾光片，這個濾光片可通過光的波長范圍為7～10 μm，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其他波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器，使環境的干擾受到明顯的控制作用。傳感器外面加上菲泥爾，可以加強敏感度。

2.4.4 學習型紅外遙控設計

本設計包含對空調等紅外電器的遙控，紅外遙控在家電產品中有廣泛應用，但是由于存在紅外編碼方式，各產品的遙控器不兼容。就算是市面上的萬能遙控器也只是針對某幾樣產品，無法涵蓋全部。為了達到真正意義上的“萬能”遙控，就必須采用學習型遙控方式。

紅外學習遙控由單片機進行脈寬采樣并記錄，由單片機產生38 kHz的載波，經過緩沖放大后通過紅外發射管發射出去。

紅外脈寬的采樣采用一體化紅外接收頭接收，通過單片機定時器測量脈寬，然后將脈寬信息寫入EEPROM存儲，發送編碼時，由單片機產生38 kHz的載波，脈寬調制后經過緩沖放大后通過紅外發射管發射出去。

為此,紅外學習遙控器由STC12C2052AD單片機作為控制芯片，STC12C2052AD內部集成了10 KB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38 kHz載波。

實驗表明，該系統是可行的，實現了對家用電器的智能化地自動控制，讓人們可以通過移動電話遠程控制家用電器的運轉。但系統功能不夠完善，且由于采用51單片機作為主控芯片，運行處理速度較慢。可通過采用ARM作為主控芯片加強處理能力,增加視頻功能和互聯網接口，進一步實現遠程視頻監控。

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