基于nRF905的智能家居系统设计

　　摘要：智能家居监测与控制系统由nRF905组建无线网络，将各个单元和主控单元连接起来统一控制，实现对家居的安防控制、环境温度的检测、空气换气控制等功能；用户可使用红外遥控集中控制器来操控上述任意单元，轻松控制家居环境。
　　关键词：智能家居；无线组网；nRF905；安防控制
　　在智能家居中，数字家庭网络是安装在家居中的一种通讯平台，它具有一般通讯网络所应具有的特点，同时考虑到它所安装的地点是普通的私人家居和使用者是普通居民，所以它还具有自身独有的需求和特点，包括安全性、可用性、可靠性、灵活性、易扩展性，使用的方便性、廉价性、标准化以及体积小、重量轻和安装方便等。智能家居系统中家庭网络技术主要分为两类，一种是有线家庭网络技术，另一种为无线家庭网络技术。
　　随着无线通信技术的发展，无线网络比有线网络具有通信范围不受环境条件限制、网络建设周期短、施工成本低、易于维护、可扩展性好等无可比拟的优点，使其逐渐取代有线网络，成为智能家居网络系统组网的首选。
　　1 智能家居系统结构
　　本设计主要由温度检测单元，门锁开关检测单元，通风换气电机控制单元，电气开关集中控制等单元构成；各单元通过无线技术组网，实现集中控制；无线网络的组建部分采用了令牌环拓扑结构方式，能避免多个905模块对信道的竞争和冲突，主控单元是在无线组网的基础上，实现对各个单元运行状态的监测和控制。用户还可通过Intemet／GPRS远程访问智能家居控制系统，查看和控制其中的设备，系统结构图如图1所示。

　　

　　2 智能家居单元的无线组网
　　由于nRF905射频芯片本身是不带组网协议，为了使智能家居中的中央控制单元和各个控制节点构成一个完整的通讯网络，并使系统在每一时刻最多有一个设备（含主控单元）进行数据发送（避免信道的竞争和冲突），就需要编写协议。设计中nRF905无线网络组网方式采用令牌环总线方式。
　　2．1 系统传输的数据格式
　　系统传输的数据格式定义如表1所示：

　　

　　目的节点地址（4字节）：该字段是数据所要发送到的节点地址，接收端通过识别该字段来判断是否是发给自己的数据。
　　源节点地址（4字节）：该字段是发送节点的地址，接收端通过识别该字段来判断是谁发来的数据。
　　令牌标志（1字节）：用于判断接收到的帧是令牌、令牌回复还是普通数据帧。
　　帧体（27字节）：该字段信息为有效数据。
　　帧校验（1字节）：发送节点利用循环冗余码（CRC）计算一个帧校验序列，并将结果存入该字段。


　　2．2 令牌环总线的实现过程
　　令牌环的总线结构是总线在网络拓扑方面的描述，总线中各节点在物理连接上是总线结构，在逻辑上引入令牌。每个节点在逻辑序列中被指定一个逻辑位置，序列中最后一个节点和第一个节点形成一个逻辑环路。每个节点知道它的前一节点和后一节点的地址。拥有令牌的节点发送数据帧，直到数据帧发送完毕或令牌持续时间到，节点才会把令牌传给网络上与此节点逻辑上紧密相连的下一节点。如果此节点没有数据发送，则它把令牌传给再下一节点，继任节点的物理位置并不重要，可以是总线上除了本节点外的任意一个。因为在任意时刻仅有一个节点在传输数据，数据帧不会发生冲突，如果拥有令牌的节点故障，无法将令牌传递给它的继任者，则规定令牌更新的最大时限，使节点动态地退出总线逻辑队列，并由该节点的上一节点重新产生令牌，依序传递给下一节点。
　　3 智能家居监控系统单元模块电路设计
　　3．1 温度检测单元
　　Dalla半导体公司的数字化温度传感器为“一线总线”式温度传感器，一线总线的特点方便用户组建传感器网络，新一代的ds18b20体积更小，更经济、灵活；其温度测量范围为-55℃～+125℃；精度为±0．5℃；现场温度以一线总线的数字方式传输，提高了系统的抗干扰特性，同时可使用便携式电源，接口电路少，安装方便。温度检测单元电路如图2所示。

　　

　　3．2 门禁开关检测单元
　　国内普通居民住房门锁一般为机械锁，本身没有门锁开关控制电路，为能有效检测出门的开关状态，本单元使用常见的红外检测方式。但针对普通的红外安防系统没有红外编码校验功能，容易被另外的红外光源干扰而失去作用，设计加入红外编码和校验电路。通过对不同用户设置不同的校验码（类似于每把锁有不同的钥匙）来加强红外门禁检测单元的安全性。另外，为减少红外发送的功耗，本单元添加由定时器555构成的多谐振荡器，可设置红外检测的周期（如300 ms），以延长系统电源的使用寿命。
　　3．3 通风换气控制单元
　　单相感应电机具有结构简单，价格低廉，运行可靠及维护使用方便等一系列优点，只需单相交流电源供电，因而被广泛应用在小型机床，轻工设备、商业机械、食品加工机械、家用电器、日用机电用具等。如家用的电风扇，洗衣机，空调等都使用单相感应电机驱动工作。
　　通风换气控制单元没有专门设计单相电机的速度调节驱动电路，而是直接采用了常见的具有分档调速电路的电风扇模块控制风机运行。
　　4 智能家居主控单元软件设计
　　智能家居主控单元的软件设计分为5个部分：nRF905通讯网络的控制；红外遥控集中控制器的响应；与PC机信息交互；家居系统设置及重要运行参数的记录；家居内部环境的自动检测控制和各模块之间的协调工作。主控单元在拓扑结构上只是nRF905通讯网络中一个普通节点，也参与到整个令牌环的循环传递；但其在令牌环中的地位来看是令牌环中中央控制节点，负责令牌的检测和维护。基于令牌传递的网络是一种延时相对确定的网络，在发送一个数据帧之前的最大等待时间可以由令牌平均周期时间确定。这样每个节点得到发送权的间隔时间是大致相等的，从而在很大程度上将随机时延转换成确定性的时间延迟。这样，主控单元可预知令牌环传递的最大周期，若超出最大周期仍未获得令牌，则判定令牌丢失，重新建立新的令牌。
　　5 结束语
　　nRF905通讯模块在本系统中担任着至关重要的角色，它是智能家居系统协调可靠工作的最基本保障，在测试期间发现，最小功耗模式下室内距离30 m时通讯正常，基本满足智能家居系统需要；若住宅布局比较复杂，则需要加大905的发射功率。实际应用结果证明该系统运行稳定，安装方便，可满足智能家居控制系统需求。

    nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.9～3.6V，32引脚QFN封装(5×5mm)，工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650us。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器， ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。nRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。 nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。nRF905的详细结构如图1所示。 nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。

   nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三个引脚决定.1ShockBurstTM模式
   
   与射频数据包有关的高速信号处理都在nRF905片内进行，数据速率由微控制器配置的SPI接口决定，数据在微控制器中低速处理，但在nRF905中高速发送，因此中间有很长时间的空闲，这很有利于节能。由于nRF905工作于ShockBurstTM模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。在ShockBurstTM接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配(AM)和数据准备好(DR)两引脚通知微控制器。在ShockBurstTM发送模式，nRF905自动产生字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。由以上分析可知，nRF905的ShockBurstTM收发模式有利于节约存储器和微控制器资源，同时也减小了编写程序的时间。下面具体详细分析nRF905的发送流程和接收流程。