基于Coaex-M3的智能家居電能控制系統(tǒng)設(shè)計

　　近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，全社會的信息化水平不斷提升。智能家居是物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用之一，已成為當(dāng)前的熱門研究領(lǐng)域，也是未來家居生活的發(fā)展方向 .它能夠為用戶提供舒適、便利的生活環(huán)境。但由于市場上的相關(guān)產(chǎn)品大多價格昂貴，普及率依然較低。以往的探索與開發(fā)往往停留在對電器設(shè)備本身的改造上，這種嘗試使智能家居產(chǎn)品一度成為奢侈品。本文介紹了一種電能控制系統(tǒng)，作為智能家居的重要組成部分，它在不改動原有電器設(shè)備的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了遠程自動控制功能。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　該電能控制系統(tǒng)由遙控器和插座節(jié)點組成，其工作原理如圖1所示。當(dāng)用戶在家時，通過遙控器以射頻方式對插座進行控制。插座節(jié)點收到信號后，由微控制器進行解碼，并根據(jù)得出的結(jié)果，對特定編號的插座做通斷電處理，從而使與其連接的用電器被啟動或者關(guān)閉。當(dāng)用戶離住所較遠時，可通過GSM網(wǎng)絡(luò)向遙控器發(fā)送手機短信 ,微控制器讀取信息后，通過射頻芯片，將信息傳遞到室內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)中，進而使相應(yīng)地址上的插座受到控制。由此可見，遙控器在整個智能家居系統(tǒng)中屬于網(wǎng)關(guān)節(jié)點 ,一方面，它與插座節(jié)點組成了室內(nèi)射頻局域網(wǎng)，另一方面，它又與GSM網(wǎng)絡(luò)相連，延展了遙控距離。遙控器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括溫濕度檢測電路、時鐘模塊、nRF905射頻收發(fā)模塊、GSM模塊等功能電路，這些模塊均與控制核心LM3S811相連。該微控制器采用ARM Coaex-M3架構(gòu)，由于依托高密度的Thumb-2指令集，內(nèi)存開銷大大降低，操作系統(tǒng)的移植也更加方便。

　　圖1 遙控插座工作原理

　　圖2 遙控器結(jié)構(gòu)框圖

　　插座節(jié)點主要實現(xiàn)與遙控器的射頻通信以及繼電器的通斷控制，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。插座中的煙霧傳感器用于預(yù)防火災(zāi)危險。一旦檢測到煙霧或可燃性氣體，插座上對應(yīng)的繼電器將斷開，并通過射頻收發(fā)模塊向遙控器匯報，遙控器收到信息后，再通過GSM模塊的短信功能及時提醒用戶采取相應(yīng)的措施，防止危險的發(fā)生或財產(chǎn)損失的進一步擴大。由于插座端工作量較少，從成本和性能兩方面考慮，本系統(tǒng)采用STC12C5620AD微控制器作為插座端的主控芯片。

　　圖3 插座節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

　　2 硬件電路設(shè)計

　　2.1 溫濕度檢測電路

　　本系統(tǒng)采用溫度傳感器LM35和濕度測量模塊CHM-02進行環(huán)境監(jiān)測。LM35的電壓輸出與攝氏溫度呈線性關(guān)系，無需校準(zhǔn)就可在常溫環(huán)境下達±l/4℃的測量精度。CHM-02模塊可在0~70 ℃的溫度下對20~95%RH范圍內(nèi)的濕度進行檢測，室溫下的測量精度為5%RH.溫濕度傳感器與MCU的接口示意圖如圖4所示。由于兩種傳感器輸出的模擬信號在MCU片內(nèi)A/D采樣電路的檢測范圍內(nèi)，所以直接將兩者的輸出端與MCU的兩個ADC引腳連接。模擬式傳感器的使用不但充分利用了控制器的片上資源，而且提高了子程序的利用率。

　　圖4 溫濕度傳感器與MCU的接口示意圖

　　2.2 煙霧檢測電路

　　煙霧傳感器MQ一2基于SnO:的電化學(xué)特性，對可燃性氣體及煙塵有良好的檢測靈敏度。煙霧檢測電路原理圖如圖5所示。MQ.2在正常工作前需要對內(nèi)部加熱絲的H.h兩極通電預(yù)熱 ,為了防止加熱電流過大而導(dǎo)致內(nèi)部信號線溫度過高，此處將加熱絲與100 Q電阻串聯(lián)。當(dāng)環(huán)境中的煙霧或可燃氣體超過警戒閾值時，傳感器A.B兩極間的電導(dǎo)率迅速增加，與其串聯(lián)的負(fù)載電阻m所獲得的電壓也相應(yīng)增加，該電壓信號經(jīng)低功耗運放TLC27M2放大后，得到與煙霧或可燃氣濃度相對應(yīng)的模擬量輸出，最終接人控制器的ADC模塊進行量化。

　　圖5 煙霧檢測電路原理圖

　　2.3 時鐘模塊

　　時鐘模塊除了顯示系統(tǒng)時間以外，還可對單個插座進行通斷電定時。時鐘電路原理圖如圖6所示，DS1302通過串行方式與MCU通信，為保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，接口已做上拉處理。芯片采用雙電源供電，主電源正常工作時可以對備用電源進行涓細電流充電;在掉電情況下啟動備用電源，避免因突然停電而造成時鐘停滯 .考慮到使用的便捷性，遙控器由鋰電池供電。DS1302的主電源引腳VCC2連接到集成穩(wěn)壓器的3.3 V輸出，而備用電源引腳VCC1與4700 μF的電容串接，兩個電源引腳之間通過二極管隔離。由于芯片耗電量很低，在更換電池的過程中，電容的放電作用可以暫時維持芯片運行。

　　圖6 時鐘電路原理圖

　　2.4 射頻收發(fā)模塊nRF905

　　射頻收發(fā)模塊是連接插座與遙控器的橋梁。nRF905集成收發(fā)器能在3個ISM頻段配置使用，且功耗很低。本系統(tǒng)中的所有節(jié)點均設(shè)置在433 MHz頻段工作嘲，射頻收發(fā)電路原理圖如圖7所示，其中的SMA接口用來連接特性阻抗為5O Ω的單端天線，有利于信號的全向輻射。單端天線又被稱為非平衡天線，其主要參考點為信號地，而nRF905的天線接口(引腳ANT1和ANT2)為差分射頻輸出端口。為了維持信號平衡，保證兩個端口的阻抗匹配，此處在兩者之間增加了balun(平衡月乍平衡)電路，對芯片輸出端的特性進行調(diào)節(jié)。

　　圖7 射頻收發(fā)電路

　　2.5 GSM通信模塊

　　將短距射頻網(wǎng)絡(luò)與GSM技術(shù)相結(jié)合，既發(fā)揮了短距射頻網(wǎng)絡(luò)配置靈活的特點，又發(fā)揮了GSM技術(shù)在通信距離上的優(yōu)勢。GSM通信電路的核心是SIM300模塊，其外圍電路如圖8所示。