基于移动通信与射频传输的智能家居监控系统设计

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　　本文设计的智能家居监控系统利用GSM模块和RF 模块实现主机与从机，主机与用户之间的无线信息交换，弥补了有线信号传输的不足[1]。
　　1 系统组成及工作原理
　　监控系统由主机、从机和用户手机三部分组成，系统组成示意图如图1 所示。主机作为系统的控制中心，承担从机与用户手机之间信息传递的桥梁作用。同时，系统功能的设置，温湿度等室内状态信息也通过主机实现。
　　主机与从机利用内部集成的2.4GHz 射频模块构成短距离无线网络[2]，主机向从机发送用户下达的各种命令，定期或随机采集从机的环境数据及状态信息。主机还通过移动网络信号以PDU 短信方式与用户手机通信。例如，当防盗报警从机检测到盗情信号，会主动向主机发出报警信息，主机语音报警电路发出语音报警，同时通过GMS 模块向用户手机和110公安部门发出短信和语音报警信息。

　　图1 监控系统组成示意图
　　2 主机硬件结构
　　监控主机硬件结构组成如图2 所示。主机控制器选用单周期STC15F204EA 单片机，其指令执行速度比传统8051 单片机快6~12 倍，内部集成了高可靠复位电路MAX810，高精度阻容振荡器，不用外接晶振和复位电路即可工作，是一片真正意义上的单片机，程序可通过串行口直接写入，开发过程不需要编程器和仿真器，还能进行软件远程升级。
　　主机功能模块有：nRF24L01 无线射频模块、SIM900AGSM移动通信模块、LCM1：2864ZK液晶显示模块、键盘模块、DS1302 实时时钟、语音模块、SHT11 温湿度传感器和电源模块等电路组成。
　　3 人机接口模块
　　人机接口模块包括键盘、液晶显示器和语音电路。是用户与智能家居系统交互的主要功能单元。
　　键盘采用4 位独立按键键盘，与单片机的端口线直接相连，按键功能为SET（设置）、UP（向上）、DOWN（向下）、ENT（确定），用于主机各项功能的设置，例如时间、日期、RF 频道、从机地址、绑定手机等。
　　图2 监控主机结构框图
　　显示器采用LCM12864ZK 中文图形液晶显示模块，模块能显示4 行*8 列汉字，模块内嵌ROM 包含8192 个中文字型和128 个半宽的字符字型，绘图显示画面提供绘图区域GDRAM，还有CGRAM 提供可编程的点阵造字功能。液晶模块可以并行接口或串行口与单片机连接。
　　语音模块选用美国ISD 公司的ISD4002 语音回放芯片，芯片内部集成Flash 存储器，用于长期保存语音信息，录音周期可达到10 万次。直接模拟存贮技术保证了高的语音还原度，不需要专用的语音开发工具，能任意更改存储内容，耗电少，录放时间长。内置SPI 协议串行通信接口，通过数据线MISO、MOSI，时钟线SCLK，片选线SS*和中断请求线INT 与单片机接口。
　　时间日期是智能家居控制系统必备功能之一，本设计采用DS1302 芯片作为实时时钟。DS1302 是Dallas 公司推出的片内集成RAM 的高性能、低功耗实时时钟芯片，能用年、月、日、周、时、分、秒进行计时，还有闰年补偿功能，采用3 线接口与单片机同步通信，可通过突发工作方式一次传送多字节时钟信号或片内RAM 的数据。DS1302 有主/后备电电源双电源引脚，并提供了对后备电源涓流充电功能。
　　4 nRF24L01 射频模块接口
　　射频模块是主机和从机共有的主要功能模块，其性能直接关系到整个系统的工作可靠性和稳定性。本设计主从机均采用nRF24L01 射频模块。射频模块与单片机的接口电路如图3 所示。
　　nRF24L01 是挪威NORDIC 公司生产的单片射频收发芯片，工作在频率为2.4GHz 的ISM 频段，FSK 调制方式，内置增强型Short Burst 协议，有自动应答和重发功能，无线速率可选择1M/2Mbps ，有126 个可选RF 通道，可进行点对点通信或1 对6 通信，工作电源1.9~3.6V，端口可承受5V输入，可与5V MCU 端口直接相连[3]。
　　nRF24L01 由单片机对其初始化设置，并控制传输数据,。
　　模块与MCU 相连的信号线为：芯片控制数据线MISO 和MOSI；片选线CSN；模式控制线CE，当CSN=0 时，CE 与配置寄存器共同决定nRF24L01 的状态；芯片控制时钟线SCK，时钟SPI；中断请求信号IRQ[4]。

　　5 SIM900A 模块接口
　　主机GSM 模块选用SIMCOM 公司的SIM900A，由内部集成GSM 基带处理器、GSM 射频模块、存储器、SIM 卡接口和其他接口电路组成。工作频段为900MHz/1800MHz，可以自动搜索频段。采用省电技术设计，睡眠模式电流仅有1mA。
　　短消息模式有MT、MO、CB、TEXT 和PDU，常采用PDU 或文本模式。有自动波特率检测功能，传输速率从1200 bps ~115200 bps，支持硬件流控制。
　　SIM900A 接口电路如图4 所示。与MCU 的接口仅使用TXD 和RXD 数据线，联络信号不用。
　　SIM900A发射状态最大电流达2A，如果电源电流达不到2A，容易造成电压下降导致关机，因此电源必须达到容量要求。
　　本设计采用LM2596-ADJ为核心构成GSM电源，为SIM900A提供4.18V，3A 直流电源。电源电路如图5 所示。
　　图5 SIM900A 电源电路
　　6 从机功能模块
　　从机按功能分为防盗报警、家电控制、可燃气体检测、温湿度测量和暖气控制等类型。所有从机采用相同的射频模块和电源电路。各从机由主机管理和控制，从机相互之间不直接交换信息。
　　防盗报警探测包括无线门磁、红外对射管、红外热释电被动式传感器、门窗感应等。家电控制包括灯具控制、电视控制、空调控制、微波炉控制、窗帘控制、自动开关窗等。
　　可燃气体检测采用MQ-2 传感器，可检测液化气、丁烷、丙烷等气体。用于检测厨房内的煤气或天然气泄漏。冬季燃煤取暖用户还可增加CO 传感器，防止CO 中毒。
　　主机包含温湿度测量模块和传感器，用于测量室内的温湿度。温湿度从机可用于测量室外的温湿度，供外出时参考。
　　温湿度传感器采用sensirion公司的数字温湿度传感器SHT11，传感器由容性聚合体测湿元件、能隙测温元件、ADC和串行接口组成。湿度测量精度为±3.0%RH，测量范围0 ~ 100%RH。
　　温度测量精度为±0.4℃，测量范围-40 ~ 123℃[5]。
　　暖气控制从机用于检测室内暖气管道内的温度，通过电磁阀自动控制管道热水的通断，自动调节室温。例如主人白天上班或外出时用手机控制关断暖气，临下班回家前打开暖气，通过远程控制与自动控制的结合，达到节省能源的目的。
　　参考文献：
　　[1] 曾国敬,宋跃,何志辉.一种智能家居远程控制系统的硬件设计[J].电子技术应用,2011,37(4):81-84
　　[2] 刘主链, 宋跃, 何志辉. 无线模块与GSM 实现的智能远程家居控制系统[J].计算机测量与制,2011,19(9) :2133-2139
　　[3] 余小华, 郑魏平. 基于无线射频的智能家居控制系统设计与实现[J].2013,29(10):18-22
　　[4] 陈荣军, 罗文聪,郑林彬,许嘉龙.基于无线的物联智能家居控制系统设计[J]. 电子技术应用，2012,38 (5):142-144,148
　　
　　

李小路

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