基于nRF24L01的家用電器監(jiān)控系統(tǒng)的分析與設計

黃雄波+李嘉祺+張引瓊

摘要：為了讓家用電器控制簡捷化、系統(tǒng)化，實現(xiàn)節(jié)約用電、安全用電的目標，本文介紹了一套基于nRF24L01的家用電器監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以nRF24L01為無線通信芯片，實現(xiàn)移動終端和智能插座間的相互通信。實驗表明，用戶可以通過該系統(tǒng)的移動終端實現(xiàn)對電器的遠程控制、一鍵控制、自動控制以及系統(tǒng)化控制。

關鍵詞：智能家居；家用電器監(jiān)控系統(tǒng)；nRF24L01；智能插座

1概述

當今，推陳出新的各類家電，雖然給人們的生活增添了方便與舒適，但如何做到節(jié)約用電、安全用電一直是社會熱點話題。據公安消防部門統(tǒng)計結果顯示，我國近10年來發(fā)生的電器火災事故中，約30%是由電源插座引起的，居電器火災失火原因之首。

現(xiàn)面市的智能家電管理系統(tǒng)，如米家、京東微聯(lián)等，雖然提供多種情景模式實現(xiàn)了特定場景下對多個電器的同時操作，但未對每個電器進行歸類，導致用戶在家中同類電器較多時難以分清實際操作的具體電器。由于現(xiàn)階段智能插座尚未普及，這一做法可勉強滿足用戶需求，但隨著智能插座使用量增多，其缺點將非常明顯。

因此，設計一套以電器所在房間和使用模式為分類依據的家用電器監(jiān)控系統(tǒng)顯得非常必要。該系統(tǒng)可在移動終端模擬家用電器監(jiān)控系統(tǒng)，方便用戶控制智能插座的開閉，以達到直觀控制家中電器的目的。

2系統(tǒng)總體設計

本家用電器監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)分為軟件實現(xiàn)和硬件實現(xiàn)兩大模塊。系統(tǒng)軟件在采用專用開發(fā)板的移動終端運行。移動終端搭載Ubunm14.04，外圍搭建nRF24L01實現(xiàn)無線通信。本系統(tǒng)軟件采用桌面化設計，以電器所在房間和使用模式為分類依據，將每個家用電器抽象為一個電器系統(tǒng)，用戶通過管理該系統(tǒng)實現(xiàn)對家電的控制。移動終端發(fā)出的命令經由nRF24L01所搭建的點對多點無線通信系統(tǒng)傳遞給智能插座，智能插座以單片機為主控芯片，搭配電流檢測模塊，一旦發(fā)現(xiàn)電器動作異常，即可自動斷電。

3硬件設計

3.1無線通信芯片選擇

本無線通信系統(tǒng)為點對多點模式，實現(xiàn)難度較大。nRF24L01無線收發(fā)一體芯片由于工作在2.4GHz自由頻段，可在全球無線市場暢通無阻，同時支持多點間通信，最高傳輸速率可達1Mb/s，有125個頻道可供選擇，滿足多頻及跳頻需求，完全適用于本系統(tǒng)。

3.2智能插座端硬件設計

智能插座采用模塊化方式設計，硬件結構如圖1所示，以單片機MSP430F169為控制處理器，使用專用電流檢測芯片INA282來檢測電器實時使用電流。INA282的電壓增益為50，在實際使用時通常將小電阻康銅絲（本系統(tǒng)為0.02Ω）串聯(lián)人負載電路，測得康銅絲兩端的電壓，該電壓即為康銅絲兩端實際電壓的50倍，再將此電壓值通過MSP430F169自帶的AD輸入引腳傳輸至單片機，單片機通過歐姆定律計算得出實際電流值，再將多個電流數據合并處理，最終判斷當前電器使用是否正常。一旦電器使用不當或者漏電，將立即自動切斷開關。智能插座端搭載的nRF24L01模塊通過中斷不斷掃描，確保準確接收來自移動終端的命令。智能插座端結合移動終端的命令與當前電器使用電流，對當前電器的關閉進行判斷，但當前使用電流的優(yōu)先級高于移動終端的命令。

3.3移動終端硬件設計

移動終端的主要硬件平臺為GEC210。GEC210是一款高性能的Codex A8核心板，還引出部分引腳用于擴展外圍電路，可搭配Linux等高級操作系統(tǒng)，非常適合開發(fā)本系統(tǒng)。該開發(fā)板外圍搭載nRF24L01無線通信模塊，由于本系統(tǒng)運行在Linux上，底層沒有nRF24L01的驅動，因此需要先編寫驅動，再將其編譯至內核。

4軟件設計

4.1移動終端軟件設計

基于智能插座的電器監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，并在PC端的Source insight軟件上編程實現(xiàn)，選取arm-linux-gcc編譯器進行編譯、鏈接，再轉換為可執(zhí)行文件，然后在虛擬機上進行界面調試。

4.1.1數據結構設計

由于家用電器種類繁多，因此本軟件以樹為主要數據結構。其中包括：

①房間類別樹，共有五層，包括房間類別、房間間數、電器所在房間以及該房間的其他信息；

②電器類別樹，共有四層，包括電器類數與個數、任一電器所屬分類以及該電器的其他信息；

③電器總表，包括所有電器及每一個電器的所有使用信息；

④工作模式表，每一個工作模式對應一張工作模式表，通過此表管理對應模式下的電器添加、刪除及該模式的開關狀態(tài)。

4.1.2軟件設計

本軟件采用桌面化設計，運用簡單有趣的子圖片來實現(xiàn)對大部分電器的控制。軟件的每一個主界面均由子圖片依次組合顯示而成。用戶在使用時只需點擊具有相應含義的圖片，軟件隨即通過輸入判別算法分析出用戶觸摸的位置從而獲取用戶的命令，然后實現(xiàn)相應處理。軟件主界面如圖2所示，軟件內有房間添加與刪除、電器添加與刪除、模式管理、輸入判斷、無線通信、顯示等多個模塊。本軟件采用一個主C文件調用多個子C文件，多個子C文件間相互調用的形式，不同的功能由不同的C文件完成，這樣的程序編寫既方便編譯者調試、查看，又可讓程序模塊化呈現(xiàn)，便于修改。同時，本系統(tǒng)還設有外出模式、日常模式、安全模式、睡眠模式、自定義模式等快捷方式，并為每一個模式分配一張工作模式表，在此功能中實現(xiàn)在特定場合如外出、睡覺時多個電器的一鍵開關，可以防止隱私泄露等。

4.2智能插座端程序設計

智能插座端程序采用C語言編寫，在PC端的IAR Embed-ded workbench軟件上實現(xiàn)編譯、鏈接、轉化為.hex文件，并通過串口下載到單片機上。智能插座程序流程圖如圖3所示，單片機一上電就開始檢測插座端的使用電流，將采集的數據通過算法處理后與額定電流進行比較，若電流過大則立即切斷電器使用電路，還可以進行無線接收檢測，根據移動終端的命令對電路進行操作。

5結論

本系統(tǒng)不僅可以有效預防漏電、插座使用不當等引起的電器火災事故，還可以根據電器的實際使用需求做到隨開隨用，極大節(jié)約家庭用電量。同時，該系統(tǒng)支持隨時查看家里電器的使用情況，隨用隨開，節(jié)約用電。