近年来，物联网技能发展敏捷，全社会的信息化水平不断提高。智能家居是物联网的首要运用之一，已成为当时的抢手研讨领 域，也是未来家居生活的发展方向 。它能够为用户供给舒适、便当的生活环境。但因为市场上的相关产品大多价格昂贵，普及率仍然较低。以往的探究与开发往往逗留在对电器设备自身的改造上，这 种测验使智能家居产品一度成为奢侈品。本文介绍了一种电能操控体系，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完结了长途主动操控功用。
1 体系结构
该电能操控体系由遥控器和插座节点组成，其作业原理如图1所示。当用户 在家时，经过遥控器以射频方法对插座进行操控。插座节点收到信号后，由微操控器进行解码，并依据得出的成果，对特定编号的插座做通断电处理，从而使与其连 接的用电器被发动或许封闭。当用户离居处较远时，可经过GSM网络向遥控器发送手机短信 ，微操控器读取信息后，经过射频芯片，将信息传递到室内的无线网络中，从而使相应地址上的插座遭到操控。由此可见，遥控器在整个智能家居体系中归于网关节 点 ，一方面，它与插座节点组成了室内射频局域网，另一方面，它又与GSM网络相连，延展了遥控间隔。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模块等功用电路，这些模块均与操控中心LM3S811相连。该微操控器选用ARM Coaex-M3架构，因为依托高密度的Thumb-2指令集，内存开支大大下降，操作体系的移植也愈加便利。
图1 遥控插座作业原理
图2 遥控器结构框图
插 座节点首要完结与遥控器的射频通讯以及继电器的通断操控，其结构框图如图3所示。插座中的烟雾传感器用于防备火灾风险。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，并经过射频收发模块向遥控器报告，遥控器收到信息后，再经过GSM模块的短信功用及时提示用户采纳相应的办法，避免风险的产生或财 产丢失的进一步扩展。因为插座端作业量较少，从本钱和功用两方面考虑，本体系选用STC12C5620AD微操控器作为插座端的主控芯片。
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
本体系选用温度传感器LM35和湿度丈量模块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±l/4℃ 的丈量精度。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，室温下的丈量精度为5%RH。温湿度传感器与MCU的接口示意图如图4所示。因为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引脚衔接。模拟式传感器的运用不光充分使用了操控器的片上资 源，并且提高了子程序的使用率。
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一2依据SnO：的电化学特性，对可燃性气体及烟尘有杰出的检测灵敏度。烟雾检测电路原理图如图5所示。MQ．2在正常作业前需求对内部加热 丝的H．h南北极通电预热 ，为了避免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 Q电阻串联。当环境中的烟雾或可燃气体超越戒备阈值时，传感器A．B南北极间的电导率敏捷添加，与其串联的负载电阻m所取得的电压也相应添加，该电压信号经 低功耗运放TLC27M2扩大后，得到与烟雾或可燃气浓度相对应的模拟量输出，终究接人操控器的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 钟模块除了显现体系时刻以外，还可对单个插座进行通断电守时。时钟电路原理图如图6所示，DS1302经过串行方法与MCU通讯，为确保信号传输的安稳 性，接口已做上拉处理。芯片选用双电源供电，主电源正常作业时能够对备用电源进行涓细电流充电；在掉电情况下发动备用电源，避免因忽然停电而形成时钟阻滞 。考虑到运用的快捷性，遥控器由锂电池供电。DS1302的主电源引脚VCC2衔接到集成稳压器的3.3 V输出，而备用电源引脚VCC1与4700 μF的电容串接，两个电源引脚之间经过二极管阻隔。因为芯片耗电量很低，在替换电池的进程中，电容的放电效果能够暂时保持芯片运转。
图6 时钟电路原理图
2.4 射频收发模块nRF905
射 频收发模块是衔接插座与遥控器的桥梁。nRF905集成收发器能在3个ISM频段装备运用，且功耗很低。本体系中的一切节点均设置在433 MHz频段作业嘲，射频收发电路原理图如图7所示，其间的SMA接口用来衔接特性阻抗为5O 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，其首要参考点为信号地，而nRF905的天线接口(引脚ANT1和ANT2)为差分射 频输出端口。为了保持信号平衡，确保两个端口的阻抗匹配，此处在两者之间添加了balun(平衡月乍平衡)电路，对芯片输出端的特性进行调理。
图7 射频收发电路
2．5 GSM通讯模块
将短距射频网络与GSM技能相结合，既发挥了短距射频网络装备灵敏的特色，又发挥了GSM技能在通讯间隔上的优势。GSM通讯电路的中心是SIM300模块，其外围电路如图8所示。
图8 GSM通讯电路原理图
原 理图SIM300经过串口与MCU通讯，模块与SIM卡之间串联的22 Ω电阻用于阻抗匹配。为确保信号的传输质量，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%&&&&&%用于去除低频毛刺，并在必定程度上统筹了高频特性。按下按键S1，使PWRKEY引脚的电位拉低约2 s左右，能够完结模块的上电与掉电，当时状况由串联在VDD_EXT引脚上的发光二极管指示。为了便于程序操控，在原有按键的基础上添加了一种三极管开关 电路，当模块作业反常时，能够经过软件改写PWR端口的状况来完结SIM300的主动复位。
3 软件设计
遥控器和插座关于整个射频无线网络而言都是其间的节点，但硬件结构上的差异决议了两者功用与位置上的不同，也使得两者在软件设计的方法上有所不同。
3．1 遥控器节点程序设计
遥 控器是体系的操控中心，也是用户与插座之间联络的枢纽，因而程序中的并发模块多，使命深重。考虑到遥控器中选用的ARM处理器可供给对操作体系的全面支 持，使用μC/OS-Ⅱ操作体系对该节点中的多个使命进行调度 ，可有用确保体系的实时性和安稳性，也有利于功用的扩展。在进行操作体系移植前，需求对使命进行区分，每个功用对应一个体系使命，一起应避免区分过细而导 致频频调度的问题。遥控器节点的程序流程如图9所示，其间包括了7个使命，使命之间经过信号量、音讯行列、音讯邮箱等方法完结同步与通讯。从用户的视点来 看，这些使命是并发履行的。
图9 遥控器节点程序流程图
按 键扫描使命的优先级在一切用户使命中最高。经过中止方法读取用户输人的按键值，数据存人音讯邮箱KeyMbox中，若数字键1-6被按下，则告诉射频发送 使命处理；若时钟设置按键被按下，则进行时钟调整或守时器设置。时钟守时使命用于取得DS1302的时钟输出值，在守时时刻抵达后，发送音讯告诉射频发送 使命处理，完结后主动挂起。射频发送使命是依据其他使命中取得的操控码，以射频方法对相应编号的插座发送通断电操控信号，随后等候插座端回来动作信息。若 超时无反应则重发1次，重发3次后使命挂起。风险报警使命需经过同频载波检测，地址匹配承认后，才开端接纳射频信号，从而将信息送人邮箱，解码承认风险报 警标识后，经过GSM模块，以短音讯的方法告诉用户。短信接纳使命担任接纳用户短信，并将其存放在音讯邮箱GSMMbox中。经过AT指令 “AT+CMGR=I”每次只读取序号为1的短信息，成功提取操控码(包括插座ID号和开关动作码)后，将该条信息删去，并向射频发送使命传递音讯。环境 监测使命担任对室内温湿度信息循环采样。尽管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 音讯行列中，终究成果为3次丈量值的算术平均值。液晶显现使命优先级最低，待以上使命完毕后，担任显现各插座终究的状况、时钟信息以及室内温湿度丈量成果等。
3．2 插座节点程序设计
插座节点程序流程如图10所示，其 中最首要的作业是完结射频信号的接纳与发送。当没有烟雾报警时，nRF905进入接纳形式，一起侦听信道；若监测到同频载波且数据包地址有用，则发动接 收；当CRC校验成果正确，硬件会自行去除数据包的前导码、校验码及地址码 ，并告诉MCU数据准备就绪，从而MCU经过SPI串行总线读取接纳到的信息。
图1O 插座节点程序流程图
射 频信号发送本质上是接纳的逆进程。当nRF905进入待机形式后，MCU将地址与数据信息传送至射频芯片的发送寄存器，一起发动芯片进入射频发送形式，随 后片内硬件主动完结对数据的打包、编码、调制及发送使命。一帧数据发送完毕后，射频芯片转入待机形式，等候下一次被激活。射频电路的每一次接纳或发送进程 都伴随着继电器的接通或断开动作。默许条件下，烟雾传感器处于使能状况，为了避免用户在室内抽烟而导致体系误判，烟雾检测功用也能够设置为失效。
