新型家電組網(wǎng)與遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳建明,崔羊威

(華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院,鄭州450045)

新型家電組網(wǎng)與遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳建明,崔羊威

(華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院,鄭州450045)

設(shè)計(jì)了一種新型家電控制系統(tǒng),該設(shè)計(jì)采用低功耗單片MSP430F149為控制器,結(jié)合nRF24L01無線雙向射頻技術(shù)、GPRS短信服務(wù)技術(shù)、指紋識(shí)別技術(shù)和38 k Hz無線紅外技術(shù),在不破壞原有裝修和家電機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了對(duì)家電的組網(wǎng)控制和遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制采用動(dòng)態(tài)密碼加密的形式,門鎖子系統(tǒng)加入霍爾傳感器,實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)反饋的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的空調(diào)子系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)功能,極大地增加了系統(tǒng)的通用性,整個(gè)系統(tǒng)安全可靠,實(shí)用性強(qiáng)。

無線雙向射頻技術(shù);GPRS短信服務(wù)技術(shù);MSP430;動(dòng)態(tài)密碼;閉環(huán)反饋

引 言

傳統(tǒng)的家電無法遠(yuǎn)程控制、隔墻控制、組網(wǎng)控制,且開關(guān)位置挪動(dòng)不方便,而智能家居系統(tǒng)具有安全、快捷、智能化的獨(dú)特魅力,對(duì)于改善人類的生活質(zhì)量,創(chuàng)造舒適、安全、便利的生活環(huán)境有著非常重要的意義[1],因而具有廣闊的市場前景。目前,智能家居多采用Internet、WiFi或ZigBee組成控制網(wǎng)絡(luò)[2]。Internet成本高且要求必須系統(tǒng)上網(wǎng),受條件限制比較多;WiFi技術(shù)安全性低;國內(nèi)也很少有涉及忘帶鑰匙沒法開門的解決方案。本文設(shè)計(jì)的新型家電控制方案,采用Nordic公司的nRF24L01無線射頻進(jìn)行組網(wǎng),能夠很方便地實(shí)現(xiàn)雙向通信。結(jié)合GPRS短信功能,采用動(dòng)態(tài)密碼成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)家電的遠(yuǎn)程組網(wǎng)控制,而且解決了忘帶鑰匙的問題。該方案安全性好,通用性強(qiáng),穩(wěn)定性高,經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)由控制中心、遙控子系統(tǒng)、門鎖子系統(tǒng)、燈控子系統(tǒng)、空調(diào)子系統(tǒng)5個(gè)部分構(gòu)成。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示,可以使用手機(jī)給控制中心發(fā)送控制命令或動(dòng)態(tài)密碼,控制中心匹配成功后,通過射頻模塊完成對(duì)子系統(tǒng)的控制。在室內(nèi)可以使用遙控子系統(tǒng)給控制中心發(fā)送控制命令,匹配成功后即可通過射頻模塊完成對(duì)其他子系統(tǒng)的控制。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

控制中心和子系統(tǒng)均采用超低功耗單片機(jī)MSP430F149作為主控制器,控制中心和子系統(tǒng)通過nRF24L01射頻模塊進(jìn)行無線通信,手機(jī)和控制中心通過GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,下面是各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)原理和工作過程。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 控制中心硬件設(shè)計(jì)

控制中心通過GPRS或nRF24L01將接收到的短信命令或遙控子系統(tǒng)命令轉(zhuǎn)發(fā)給其他子系統(tǒng)來完成對(duì)家電的控制,控制中心由單片機(jī)最小系統(tǒng)、射頻收發(fā)模塊、GPRS模塊、液晶顯示等外圍電路構(gòu)成,控制中心框圖見圖2。

單片機(jī)最小系統(tǒng)[3],是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng),由單片機(jī)、晶振、復(fù)位電路和電源構(gòu)成。

圖2 控制中心框圖

射頻收發(fā)模塊采用的nRF24L01是Nordic公司推出的一款工業(yè)級(jí)內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低成本無線收發(fā)器件[4],該器件采用GFSK調(diào)制方式,工作頻率為2.4～ 2.5 GHz。該模塊通過4線SPI協(xié)議和單片機(jī)進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)交換。

GPRS模塊選用的是TD-3000模塊。TD-3000是一款基于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)傳終端設(shè)備[5],數(shù)據(jù)緩沖區(qū)包括10 KB的發(fā)送緩沖區(qū)和2 KB的接收緩沖區(qū)。GPRS模塊采用TTL串口和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)透明傳輸。數(shù)據(jù)透明傳輸采用原文透傳,控制中心將接收手機(jī)的電話號(hào)碼、數(shù)據(jù)內(nèi)容,以此來實(shí)現(xiàn)只有特定的手機(jī)號(hào)才能遠(yuǎn)程控制。

2.2 遙控子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

遙控子系統(tǒng)通過按鍵給控制中心發(fā)送命令,由控制中心將控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的子系統(tǒng),完成對(duì)空調(diào)、電燈的組網(wǎng)控制以及遙控開門。在室內(nèi)使用遙控子系統(tǒng),不用再發(fā)送短信控制,節(jié)約成本。遙控子系統(tǒng)和控制中心采用nRF24L01進(jìn)行雙向通信,可以將家電的狀態(tài)信息顯示在遙控子系統(tǒng)的液晶顯示器上,構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng),安全實(shí)用。射頻雙向通信原理圖如圖3所示。

為了提高系統(tǒng)的安全性和通用性,遙控子系統(tǒng)和控制中心需要進(jìn)行對(duì)碼操作,以避免相互干擾。通過按下對(duì)碼鍵,遍歷遙控子系統(tǒng)的按鍵,將按鍵的虛擬地址保存到控制中心主控制器的內(nèi)部Flash里,完成對(duì)碼操作。其他子系統(tǒng)的對(duì)碼操作類似,這樣既可以實(shí)現(xiàn)多控一,也可以實(shí)現(xiàn)一控多,系統(tǒng)拓展非常方便。

圖3 nRF24L01雙向通信原理圖

2.3 門鎖子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

門鎖子系統(tǒng)是基于指紋識(shí)別技術(shù)和GPRS遠(yuǎn)程控制技術(shù)的控制裝置,并采用動(dòng)態(tài)密碼加密算法進(jìn)行開鎖。系統(tǒng)采用霍爾傳感器檢測門鎖的啟閉狀態(tài),構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng),極大增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性,NJK-5002A系列霍爾傳感器是由電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器和集電極開路的輸出極組成的磁敏傳感器,其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度,輸出是一個(gè)數(shù)字電壓信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用PNP型霍爾傳感器,即檢測到永磁體輸出高電平,檢測距離為10 mm。門鎖子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 門鎖子系統(tǒng)框圖

一種方式,可以通過指紋采集,指紋匹配成功即可打開門鎖。指紋識(shí)別模塊采用FM-180指紋識(shí)別設(shè)備,該設(shè)備采用光學(xué)指紋識(shí)別傳感器,由高性能DSP處理器和Flash芯片構(gòu)成[6],具有指紋圖像處理、模板提取、模板匹配、指紋搜索和模板存儲(chǔ)等功能,采用UART串口和單片機(jī)進(jìn)行雙向通信。

另一種方式,也可以通過門鎖子系統(tǒng)給控制中心發(fā)動(dòng)態(tài)密碼,控制中心通過GPRS將動(dòng)態(tài)密碼發(fā)給手機(jī),60 s之內(nèi),手機(jī)將動(dòng)態(tài)密碼發(fā)回給控制中心,控制中心匹配成功,通過射頻模塊將命令發(fā)給門鎖子系統(tǒng),完成對(duì)門鎖的控制。本次動(dòng)態(tài)密碼只能使用一次,由隨機(jī)函數(shù)rand()產(chǎn)生6位隨機(jī)數(shù)存放到data[]數(shù)字里,經(jīng)過加、減處理得到動(dòng)態(tài)密碼[7],動(dòng)態(tài)密碼的隨機(jī)種子由srand(t)函數(shù)產(chǎn)生。當(dāng)有人多次開鎖失敗,就會(huì)啟動(dòng)聲光驅(qū)離,并短信告知主人有人入侵。

由于單片機(jī)的I/O口輸出電流的能力太小,無法直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),可以利用UDN2916驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常工作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示,PHA1、PHA2用來控制電流的方向,IO1、IO2、II1、II2用來控制輸出電流的大小。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.4 燈控子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在不改變?cè)袡C(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,加裝燈控子系統(tǒng),通過遙控子系統(tǒng)或手機(jī)給控制中心發(fā)送要控制的電燈命令,控制中心通過射頻模塊將控制命令發(fā)給燈控子系統(tǒng),控制電燈驅(qū)動(dòng)電路的繼電器啟閉,完成對(duì)電燈的遠(yuǎn)程組網(wǎng)控制。DD2為續(xù)流二極管,燈控子系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。由于遙控子系統(tǒng)和手機(jī)都可以隨意移動(dòng),給我們的生活帶來了極大的便利。

圖6 燈控子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路

2.5 空調(diào)子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了不改變空調(diào)的機(jī)械結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)智能化,設(shè)計(jì)的空調(diào)子系統(tǒng)利用nRF24L01射頻模塊接收控制中心轉(zhuǎn)發(fā)過來的命令,通過紅外發(fā)射頭把控制命令發(fā)送給空調(diào),使空調(diào)按照手機(jī)或遙控子系統(tǒng)的要求工作,紅外編碼的格式如圖7所示。

圖7 紅外編碼格式

黑色表示38 k Hz載波[8],紅外編碼的構(gòu)成為:9 ms載波和4.5 ms低電平為引導(dǎo)碼,8位的地址碼和8位地址反碼,8位的數(shù)據(jù)碼和數(shù)據(jù)反碼,1位結(jié)束位。其中1是由0.56 ms載波和1.69 ms低電平組成,0是由0.56 ms載波和0.56 ms低電平組成。圖7發(fā)送的數(shù)據(jù)為0x68,紅外發(fā)射信號(hào)的38 k Hz載波是通過MSP430自身的定時(shí)器產(chǎn)生的[9],降低了設(shè)計(jì)成本。

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性,使空調(diào)子系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)功能,增加了紅外接收電路,如圖8所示,只需將空調(diào)的按鍵對(duì)著空調(diào)子系統(tǒng)遍歷一遍,系統(tǒng)經(jīng)過解碼、編碼,即可完成對(duì)空調(diào)的控制。

圖8 紅外接收電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)也包括5個(gè)部分?？刂浦行囊环矫娼邮帐謾C(jī)和遙控子系統(tǒng)發(fā)來的命令,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的控制;另一方面接收子系統(tǒng)反饋回來的家電狀態(tài)以及信息參數(shù)。遙控子系統(tǒng)的功能是在家里實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的無線控制。門鎖子系統(tǒng)、燈控子系統(tǒng)、空調(diào)子系統(tǒng)是通過直接或間接的接收射頻遙控器或手機(jī)發(fā)來的命令,實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)家電的啟閉等控制。

控制中心發(fā)送射頻信號(hào)時(shí),為了選擇性地控制不同的子系統(tǒng),控制中心和子系統(tǒng)就要定義自己的通信格式,子系統(tǒng)只接收與自己通信格式一樣的數(shù)據(jù)。自定義通信格式如表1所列。

表1 射頻通信格式

其中幀頭用一個(gè)字節(jié)來判斷射頻指令開始,這里用*號(hào)表示幀頭。幀尾用一個(gè)字節(jié)來判斷射頻指令發(fā)送結(jié)束,用#號(hào)表示。密碼是2個(gè)字節(jié),用來表示控制某一類子系統(tǒng),可以確保系統(tǒng)的安全性,用LY表示,不同的子系統(tǒng)密碼可以不一樣。子系統(tǒng)用來表示控制哪個(gè)子系統(tǒng)工作。狀態(tài)用來控制家電的工作狀態(tài),0表示開啟,1表示關(guān)閉。有些家電還會(huì)有其他的工作狀態(tài),比如空調(diào)的模式切換、溫度加減、風(fēng)速切換以及定時(shí)等功能。

圖9 控制中心流程圖

控制中心流程圖如圖9所示,首先是各模塊初始化,等待手機(jī)或遙控子系統(tǒng)發(fā)來的命令,接收到之后判斷正確與否,不正確繼續(xù)等待接收,如果正確,繼續(xù)判斷接收到的是射頻命令還是GPRS控制命令。如果是射頻命令,控制中心將接收到的控制命令發(fā)送給相應(yīng)的子系統(tǒng),完成對(duì)子系統(tǒng)的控制;如果接收到的是GPRS讀取參數(shù)命令,控制中心將讀取的參數(shù)通過GPRS模塊發(fā)給手機(jī)。

門鎖子系統(tǒng)、燈控子系統(tǒng)和空調(diào)子系統(tǒng)工作過程類似,初始化之后,等待接收手機(jī)或射頻遙控器發(fā)來的控制命令,匹配成功即可完成對(duì)家電的控制,門鎖子系統(tǒng)遠(yuǎn)程開鎖需要進(jìn)行2次匹配。

結(jié) 語

新型家電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是在不破壞原有家電機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,采用了雙向射頻技術(shù)、動(dòng)態(tài)加密技術(shù)和紅外通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)普通家電的智能控制和遠(yuǎn)程控制。相比于傳統(tǒng)的智能家電系統(tǒng),此系統(tǒng)各模塊相互獨(dú)立,擴(kuò)展方便,門鎖子系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制采用6位動(dòng)態(tài)密碼,空調(diào)子系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋,整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)適用、安全性更高,也為以后建立出入管理系統(tǒng),與小區(qū)管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。

[1]馬振,宋雅慶,王珂,等.低成本智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2015,36(3):49-52.

[2]喬季軍,王德宇,李玉琳,等.融合ZigBee與WiFi無線技術(shù)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2015,36(12):48-51.

[3]勾慧蘭,劉光超.基于STM32的最小系統(tǒng)及串口通信的實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2012(9).

[4]譚暉.n RF無線SoC單片機(jī)原理與高級(jí)應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

[5]李濤,馬殷元,楊東.基于STM32的GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)測終端設(shè)計(jì)[J].電子世界,2012(11):132-133.

[6]翟慶一.指紋識(shí)別模塊Sm61的單片機(jī)控制[J].信息技術(shù)與信息化,2006(5):113-117.

[7]王勇.隨機(jī)函數(shù)及其在密碼學(xué)中的應(yīng)用研究[J].信息網(wǎng)絡(luò)安全,2012(3).

[8]Chen Long,Zhang Yajun.Design and implementation of infrared wireless data transmission system[J].Proceedings of the 2010 IEEE International Conference on Information and Automation,2010(6):20-23.

[9]陳天水,秦文.基于ATmega128單片機(jī)的學(xué)習(xí)型紅外遙控器設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2011(30):26-28.

陳建明(教授)),主要從事檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置的研究;崔羊威,主要從事檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置、電子信息工程方面的研究。

Design of New Home Appliances Networking and Remote Control Center System

Chen Jianming,Cui Yangwei
(Electric Engineering College,North China University of Water Resouces and Electric Power,Zhengzhou 450045,China)

In the paper,a new home appliance control system based on MSP430F149 is designed.The wireless two-way radio technology, GPRS SMS technology,fingerprint identification technology and 38 k Hz wireless infrared technology are used.It realizes the home appliances networking and remote control without destroying the basis of the furnishings and appliances mechanical structure.The remote control uses a dynamic password in encrypted form.The Hall sensor is added in the lock subsystem to achieve the closed-loop feedback. The air conditioning subsystem has the self-learning function,which greatly increases the versatility of the system.The whole system is reliable and practical.

wireless two-way radio technology;GPRS SMS technology;MSP430;dynamic password;closed-loop feedback

TP23

:A

薛士然

2016-08-04)