1 引言
随着人们生活水平的提高以及计算机技术、通信技术和网络技术的发展,计算机、通信、消费电子相互间的系统集成即3C的融合,使信息家电IA(Information Appliance)达到了人与信息的完美结合[3]。家电网络化、智能化是当前智能家居系统发展的趋势。其中无线控制网络是智能家居的重要组成部分,无线网络控制的好坏,直接影响到智能家居系统的优劣。把家居生活中的各种家电集成为无线控制网络,具有性价比高、可靠性高等特点。因而为原有家电控制器扩充通信接口是首先要解决的问题。
通过选择嵌入式开发板和无线射频模块以及设计智能电源控制模块搭建嵌入式网络控制器的硬件平台,用无线射频模块在家庭内部将家庭网关和信息家电组网。家庭内部局域网部分由内嵌射频模块的各种信息家电和家庭网关构成,射频接口模块作为嵌入式网络控制器与家庭内部网络的接口,在嵌入式网络控制器和信息家电终端之间完成控制信息的无线传输,实现家庭网络的无线连接[1]。本文主要阐述信息家电终端的设计。
2 智能终端的无线组网设计
智能终端在整个信息家电系统中处于核心地位,作为最终的受控对象,包括各种智能家电和智能仪表如安防模块、电机驱动模块、灯光模块,插座模块、温度、照度模块等。
其功能为:能根据智能家居控制系统的控制执行相应动作;能将自身状态及信息反馈给智能家居控制系统。其设计结构如下图1:
对其进行控制的过程为无线模块接受家居信息网络协议并将该协议发送到单片机,由单片机根据对应的家电设备转换为相对应的家电仪表的控制信号并发送给家电仪表设备,来实现对其控制[4]。
本设计采用P87LPC764单片机和nRF905单片射频发射器完成了嵌入式信息家电无线通信接口的设计。该接口向下支持I2C、SPI、UART或以并行接口形式为家电控制器扩充通信接口;向上则通过nRF905以无线通信方式与家庭无线网关连接,进而通过模块化软件设计完成数据传输。
3 智能终端无线通信接口的硬件设计
PHILIPS的P87LPC764单片机有效地增强了51系列单片机的功能,主要表现在:
1) 在片内增加了看门狗、比较器、可选择的片内RC震荡器、低电压检测、震荡器失效检测和上电复位等功能电路;
2) 片内集成的全双工UART接口和I2C接口为实现嵌入式通信接口的设计带来了极大的方便;
3) 工作时钟频率为(0MHz～20M)Hz,在时钟频率为20MHz时,除乘除指令外的指令执行周期为300ns～600ns,是同样时钟
频率的8051单片机的2倍;
4) 提供有20脚PDIP封装,方便开发应用,OTP编程模式降低了芯片成本;
5) 具有节电和休眠模式,唤醒时间仅为1μs。
采用P87LPC764单片机和nRF905单片射频发射器的嵌入式通信接口的硬件结构及工作原理见图2。家庭无线网关巡回查询各个家电设备,并把来自本地局域网或Internet的家电控制、查询命令发送到指定的家电设备,或把家电设备上报的信息发送到上级网络。在无线通信接口中,nRF905单片射频发射器直接与P87LPC764单片机的UART接口连接,完成与家庭无线网关的通信,并经由无线网关接入上级网络。通信接口与家电控制器之间有3种可选的连接模式,即通过 P87LPC764的I2C接口或P0口提供4位并行口、或UART接口模式。由连接在P87LPC764单片机P1.6和P1.7端口的拨动开关选择设定,为减轻家电主控制器的工作压力,在通信接口与家电控制器的通信过程中,通信接口被设计为主设备。当通信接口完成一数据块的接收并校验正确后主动通知家电控制器接收该数据块;若无上级控制命令发送,则定时询问家电控制器状态,并依据家电控制器的请求从家电控制器读取相应的数据到通信接口的缓冲区,然后进行包装和控制并发送到上级网关。家电控制器对外接存储器若采用了I2C接口模式或SPI接口模式,其读写操作也要通过通信接口中转进行[5]。
4 智能终端无线通信接口的软件设计
4.1 通信程序的设计
由于本接口要提供多种与家电控制器的连接模式以供选择,所以在初始化模块中除了完成常规的初始化任务外,还要依据
连接模式设定拨动开关的状态以进行I/O及控制端口的初始化,从而完成相应通信子程序调用的准备。比如选择SPI模式时,就要准备调用SPI的仿真子程序,设定通信调用的入口地址。
4.2 通讯协议的制定
由于信息家电种类众多,提供的功能多种多样,故其控制方式也不尽相同。为此我们的协议应该针对不同的设备制定具体的通讯协议。协议格式如下表1:
上述协议意义如下:数据头标志位(SC固定),设备类型(S表示简单设备C表示复杂类型),设备名称(BD表示客厅壁灯等), 目的设备地址(名称首字母,便于标识),命令类型(S表示查询C表示重新设置),由于信息体种类繁多,我们把信息家电分为两种类型,一种是简单家电设备,只有电源开关控制的,比如壁灯、电动窗帘、报警器等,另一类是复杂家电设备,这类电器设备不仅需要电源控制,还需要控制工作模式、设定工作条件等,比如信息空调、信息电视等。针对不同类型的设备我们可以制定不同的协议。示例:比如控制壁灯立即打开的协议:SC S BD C0。其中SC是短消息合法性标志,也是信息的起始标志。S表示是简单家电设备,BD是壁灯的中文首字母,C表示设置,最后一个字符O表示打开(open)。同样壁灯状态查询的协议为:SC S BD S,最后字母S表示查询状态。又如控制信息空调的工作模式为高冷,温度26摄氏度,并且立即打开,协议为:SC C KT C M0T26S0 。其中M0表示工作模式为0方式(需要自预先定义),T26表示温度设定为26度,S0表示开。信息空调的查询协议为SC C KT S。
上述协议的制定比较简单,当所要控制的信息家电更复杂时,需要根据实际情况制定出安全方便、可扩展的通讯协议。
在主控程序中,主要包括两个事件,一是发送过程中,检测串口是否有信息传来。对于主控模块,串口信息是由微处理器通过串口发送的家电运行指令;对于被控模块,串口信息是由家电通过串口反馈的当前状态信息。若串口有信息,则无线发送。二是接收过程中,监听无线上是否有信息传来,若有则接收。对于主控模块,接收的是来自被控模块反馈的家电状态信息,接收后经串口上传到微处理器,方便用户监控家电的运行状况;对于被控模块,接收的是来自主控模块的家电运行指令,接收后经串口发送到家电中控制芯片,控制家电的运行[6]。主控程序流程如图3所示。
4.4 无线通信接收中断处理模块
无线通信接收中断处理模块流程如图4所示。该模块接收来自上级网关的每个字节 ,并在接收过程中完成对通信协议的分析,校验网关发送的查询命令块和数据块的错误,保留发送到本家电设备的命令和数据块,放弃接收到的其他内容。在完成一个属于本家电设备的信息块接收并校验正确后设置接收有效的标志。
4.5 通信收发程序设计
为了保证数据传输稳定可靠,对本系统这部分进行了大量的调试。nRF905工作模式由CE和寄存器内部 PWR＿UP＼PRIM＿RX 共同控制,可选择接受模式、发射模式、待机模式和掉电模式。SPI接口由SCK、MISO、MOSI及CSN组成,在待机或掉电模式下,单片机通过SPI接口配置nRF905的工作参数,在发射/接收模式下,通过SPI接口发送和接受数据。中断输出接口IRQAM提供数据发送结束TX＿DS,数据接收就绪 RX＿DR、重发次数达到最大MAX＿RT中断。根据nRF905芯片特点,进行传输数据格式设计和程序编写[2]。
4.6 与家电控制器的通信处理模块
该模块包括并行接口的管理模块,I2C接口的管理模块和SPI、UART接口的软件仿真处理模块。 在程序执行过程中,依据接口模式的设定调用相应的通信处理模块。
5 结束语
本智能终端使用的嵌入式无线通信接口已应用于信息家电实验网络系统,采用的通信速率为9.6Kb/s,收发切换间的时间延迟为4ms,通信距离最高可达到25 m,基本实现了预定的通信要求。由专设的单片机进行无线通信过程中的数据协议分析和数据传输处理,不但可支持多种接口模式,实现嵌入式通信接口设计,还可大大减轻家电设备控制系统的负担,为扩充家电设备控制器的通信接口提供一条新的途径。
在此基础上,今后的研究工作将从以下方面进行深入:一方面增加智能家居终端控制家电设备的种类,这需要对协议进行扩展;另一方面使用户能够通过更多途径方案进行远程控制,例如,手机短息远程控制也是一种方案;第三,考虑到嵌入式系统硬件资源受限,还需要就某些功能的实现代码进行进一步优化,例如,可考虑将多进程改为多线程来减少进程的创建和切换的开销等。
参考文献:
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作者简介:漆世钱(1981—),男,硕士,讲师,从事电子信息方面的教学与研究。