從對內網(wǎng)的管理角度看,協(xié)調器需要完成網(wǎng)絡的建立、地址的分配和終端節(jié)點的加入、設備數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)轉發(fā)表和數(shù)據(jù)關聯(lián)表的維護等。協(xié)調器采用輪詢方式查找室內的終端節(jié)點,并給每個節(jié)點編號組網(wǎng),當查找到某節(jié)點就將其添加入網(wǎng),否則將其刪除。
4.2 終端節(jié)點軟件設計
終端節(jié)點軟件設計重點是傳感器信息采集、處理和無線傳輸。在傳感器信息采集方面,nRF24LE1提供有SPI、2-Wire、UART、ADC、PWM 和模擬比較器等豐富的接口,能很好的支持模擬量和數(shù)字量的采集。在無線傳輸部分,nRF24LE1 的8051內核通過專用SPI 接口提供nRF24L01及射頻收發(fā)器模塊控制和數(shù)據(jù)接口。通過SPI 接口訪問內部特殊功能寄存器,可以實現(xiàn)對射頻模塊配置和控制,如工作模式選擇、使能/屏蔽各種中斷、各種地址設置、自動應答設置、自動重發(fā)設置、頻段選擇、發(fā)射功率設置、CRC 設置等等。nRF24LE1的工作模式有發(fā)射、接收、待機及掉電四種,其收發(fā)模式又有Shock BurstTM和Enhanced ShockBurstTM兩種模式,后者比前者多一個確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?能更好地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?并且功耗低、編程簡單,因此本系統(tǒng)選擇Enhanced ShockBurstTM模式。nRF24LE1內置的nRF24L01在接收模式下可接收6 個不同的通道的數(shù)據(jù),雖使用不同的地址,但是共用相同的頻道。由于協(xié)調器與各終端節(jié)點采用輪詢方式工作,因此各節(jié)點在接收時可均使用通道0,但需設置為不同的40 位地址。各終端節(jié)點的軟件工作流程如圖4所示。
5 結束語
通過探討智能家居系統(tǒng)的方案,提出了基于S3C2410的協(xié)調器和基于nRF24LE1的終端節(jié)點的軟硬件體系結構和實現(xiàn)方案,既提供了較強的功能和數(shù)據(jù)處理、管理能力,又充分利用了nRF24LE1無線單片機低功耗、無線集成等優(yōu)勢。該系統(tǒng)內部通信網(wǎng)采用簡單的星型拓撲結構,具有組網(wǎng)方便、接口開放等優(yōu)點,但由于協(xié)調器與終端節(jié)點采用輪詢方式,在自組網(wǎng)方面尚待改進。
參考文獻:
[1] 謝亮.基于nRF24LE1的無線寬帶結構健康監(jiān)測[J].微計算機信息(測控自動化),2009,25(7-1).
[2] 馬躍坤,應時彥,肖林榮.基于nRF24LE1芯片的一對多無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)[J].中國電子商情(RFID技術與應用),2009(3).
[3] 李輝,宋詩,周建江.基于ARM和nRF24L01的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].國外電子元器件,2008(12).
[4] 羅霖.基于ARM-Linux的IP Camera解決方案.上海杰得微電子有限公司,2006.
[5] nRF24LE1+datasheet.
摘要:以三星公司的ARM9(S3C2410)和Nordic公司的nRF24LE1單片機為核心,結合Internet、GPRS、及傳感器技術,采用有線與無線相結合的聯(lián)網(wǎng)方式實現(xiàn)一個中低端家居智能集中控制系統(tǒng),重點分析了整體方案和軟硬件設計。
關鍵詞:智能家居系統(tǒng);ARM9;nRF24LE1
中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)08-2033-02
Smart Home System Based on ARM9 and nRF24LE1
ZENG Yan1, ZENG Bao-guo2
(Sichuan Information Technology College, Guangyuan 628017, China)
Abstract: With the core of Samsung's ARM9 (S3C2410) and the Nordic company's nRF24LE1 microcontroller, combining with Internet, GPRS, and sensor technology, the thesis designs and realizes a low-end Smart Home Control Systems, mainly introduced the overall design, the hardware design and the software design of the system.
Key words: smart home system; ARM9; nRF24LE1
1 概述
智能家居是現(xiàn)代科技、建筑與人居理念的完美結合,它以住宅為平臺,利用計算機技術、數(shù)字技術、網(wǎng)絡通信技術和綜合布線技術,將與居家生活有關的家庭安防監(jiān)控、公共安防監(jiān)控、信息系統(tǒng)、家庭設備的互連與遙控、物業(yè)管理等有機地聯(lián)接起來,通過中央管理平臺進行網(wǎng)絡化綜合管理和遠程控制,來創(chuàng)造一個優(yōu)質、高效、舒適、安全、便利、節(jié)能、健康、環(huán)保的居住生活環(huán)境空間。
廣闊的市場前景為智能家居的發(fā)展提供了經(jīng)濟源動力,而各種微處理器技術、嵌入式操作系統(tǒng)技術、通訊技術的進步則為智能家居的實現(xiàn)提供了必要的技術基礎。本文以三星公司的ARM9(S3C2410)和Nordic公司的nRF24LE1單片機為核心,結合Internet、GPRS及傳感器技術,采用有線與無線相結合的聯(lián)網(wǎng)方式實現(xiàn)一個中低端家居智能集中控制系統(tǒng)。
2 總體方案
智能家居系統(tǒng)一般可以劃分為內部網(wǎng)、協(xié)調器和外部網(wǎng)三個部分。目前關于家庭內部網(wǎng)絡有多種解決方案,無線組網(wǎng)因具有組網(wǎng)和維護方便、擴展性好等特點成為今后發(fā)展的趨勢�；谠O計技術可行、系統(tǒng)功能經(jīng)濟適用、接口開放、數(shù)據(jù)庫功能強等基本原則,本系統(tǒng)采用如圖1所示的星型組網(wǎng)方案,由一個協(xié)調器(匯聚節(jié)點)和多個室內終端節(jié)點組成。協(xié)調器以三星公司ARM9(S3C2410)為控制器,它具有較強的處理能力,能提供較好的數(shù)據(jù)庫支持功能;各終端節(jié)點以nRF24LE1無線單片機為微控制器,它采用了Nordic最新的無線和超低功耗技術,內部集成了增強型51內核單片機、A/D、2.4GHz無線傳輸?shù)韧庠O及豐富的接口,很適合應用于智能家居系統(tǒng),完成各類傳感器采集的溫度、亮度、濕度等模擬量的采集、處理和無線傳輸。
3 硬件設計
3.1 協(xié)調器的硬件框圖
協(xié)調器是智能家居系統(tǒng)的核心部分。對內網(wǎng),它需要完成室內各終端節(jié)點的控制、管理、協(xié)調功能;對外網(wǎng),它需提供各種遠程智能控制接口,使操作者可以通過網(wǎng)絡、短信/彩信對系統(tǒng)進行監(jiān)控。
協(xié)調器的詳細功能模塊如圖2所示。為了實現(xiàn)協(xié)調器的復雜功能,本課題選擇S3C2410為控制核心,其最高工作頻率可達203MHz,能提供很強的數(shù)據(jù)處理能力。為了移植Linux操作系統(tǒng)和支持所需的應用軟件,需配置64MB的NAND Flash、64MB的SDRAM;為了掛接IP Camera等外設,需在處理器上引出一個USB接口、一個以太網(wǎng)接口(RJ45)、三個Uart接口(一個支持GPRS,一個支持無線數(shù)據(jù)傳輸、一個支持串口調試。由于S3C2410僅能支持兩個Uart,因此需在Uart1上擴展出兩個Uart。)另外,為了便于調試和用戶進行系統(tǒng)設置,還可以連接有一個分辨率為320*240像素的TFT液晶,并能支持觸摸屏。
3.2 終端節(jié)點
除IP Camera外,其它各終端節(jié)點均以nRF24LE1無線單片機為基礎開發(fā),由硬件和執(zhí)行機構組成,用于實現(xiàn)有關數(shù)據(jù)的采集、上報和對家居設備的控制。
3.2.1 IP Camera
IP Camera與協(xié)調器之間的通信采用有線方式。若在協(xié)調器上直接架設IP Camera系統(tǒng),可利用普通USB攝像頭完成圖像采集,然后通過協(xié)調器上的網(wǎng)卡或GPRS發(fā)給遠程用戶。雖然這種方式經(jīng)濟適用,但會大大增加協(xié)調器的開發(fā)難度,因此本文選擇專用IP Camera模塊,通過HUB與協(xié)調器實現(xiàn)互通和IP地址的綁定,就可實現(xiàn)所需功能。
3.2.2 其它節(jié)點的硬件設計
照明控制等節(jié)點與協(xié)調器之間的通信采用無線方式,因此采用nRF24LE1無線單片機為微處理器,它內置了硬件鏈路層協(xié)議,采用了抗干擾能力強的GFSK調制解調技術,片內能自動生成報頭和CRC校驗碼, 具有出錯自動重發(fā)功能,因此基于nRF24LE1的終端節(jié)點具有電路簡單、成本低、速率高、傳輸距離遠(可達50m)等優(yōu)點。為了解決各節(jié)點的防碰撞問題和簡化設計,協(xié)調器與終端節(jié)點間采用輪詢工作方式。
照明控制節(jié)點要實現(xiàn)照明設備的遙控開關、亮度調整、場景組合等控制功能,因此至少需要一個光線強度檢測器和多個燈具控制器。電器控制節(jié)點以窗簾、家電等為控制對象,需在nRF24LE1的基礎上連接繼電器和傳感器接口。火災報警節(jié)點由nRF24LE1、溫度傳感器、煙霧傳感器、聲光報警裝置等構成�？扇細怏w泄露報警節(jié)點由nRF24LE1、高品質氣敏傳感器、聲光報警裝置、氣源控制閥等。防盜報警節(jié)點一般安裝在客廳及廚房陽臺入口、臥室窗戶上,由熱釋電紅外傳感器、玻璃破碎傳感器和聲光報警裝置等構成。緊急求救節(jié)點用于安全防范、老人救護等緊急情況下的求救報警,對其基本要求是工作可靠、使用簡便、安放靈活,由nRF24LE1及多路按鍵開關構成。各節(jié)點雖然功能不同,但電路結構均是在nRF24LE1的基礎上接入各類傳感器和多路繼電器,以完成信息采集和家居設備控制功能。
4 軟件設計
智能家居系統(tǒng)的軟件包括協(xié)調器部分軟件和各終端節(jié)點部分軟件。為了支持數(shù)據(jù)庫、架設Web Sever和提供PPPoE(支持彩信),協(xié)調器部分需進行操作系統(tǒng)的移植、底層驅動程序開發(fā)和上層應用程序開發(fā),各終端節(jié)點則主要需完成信息采集、上報和動作執(zhí)行功能的軟件設計。
4.1 協(xié)調器軟件設計
協(xié)調器部分軟件采用了嵌入式Linux操作系統(tǒng)(2.6內核)以支持數(shù)據(jù)庫和應用軟件。Linux本身作為一個桌面系統(tǒng),進入嵌入式操作系統(tǒng)領域時,需解決硬件支持、提供二次開發(fā)環(huán)境及內核裁減等問題。Linux2.6內核支持主流的網(wǎng)卡驅動,可以避開網(wǎng)卡驅動和網(wǎng)絡協(xié)議移植這一繁瑣的過程。具體程序設計包括Bootloader啟動代碼、設備驅動程序(串口、網(wǎng)絡接口、LCD接口、TSP接口、GPRS接口驅動程序等)、網(wǎng)絡協(xié)議處理、用用程序等,其層次結構如圖3所示。
4.2 終端節(jié)點軟件設計
終端節(jié)點軟件設計重點是傳感器信息采集、處理和無線傳輸。在傳感器信息采集方面,nRF24LE1提供有SPI、2-Wire、UART、ADC、PWM 和模擬比較器等豐富的接口,能很好的支持模擬量和數(shù)字量的采集。在無線傳輸部分,nRF24LE1 的8051內核通過專用SPI 接口提供nRF24L01及射頻收發(fā)器模塊控制和數(shù)據(jù)接口。通過SPI 接口訪問內部特殊功能寄存器,可以實現(xiàn)對射頻模塊配置和控制,如工作模式選擇、使能/屏蔽各種中斷、各種地址設置、自動應答設置、自動重發(fā)設置、頻段選擇、發(fā)射功率設置、CRC 設置等等。nRF24LE1的工作模式有發(fā)射、接收、待機及掉電四種,其收發(fā)模式又有Shock BurstTM和Enhanced ShockBurstTM兩種模式,后者比前者多一個確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?能更好地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?并且功耗低、編程簡單,因此本系統(tǒng)選擇Enhanced ShockBurstTM模式。nRF24LE1內置的nRF24L01在接收模式下可接收6 個不同的通道的數(shù)據(jù),雖使用不同的地址,但是共用相同的頻道。由于協(xié)調器與各終端節(jié)點采用輪詢方式工作,因此各節(jié)點在接收時可均使用通道0,但需設置為不同的40 位地址。各終端節(jié)點的軟件工作流程如圖4所示。
5 結束語
通過探討智能家居系統(tǒng)的方案,提出了基于S3C2410的協(xié)調器和基于nRF24LE1的終端節(jié)點的軟硬件體系結構和實現(xiàn)方案,既提供了較強的功能和數(shù)據(jù)處理、管理能力,又充分利用了nRF24LE1無線單片機低功耗、無線集成等優(yōu)勢。該系統(tǒng)內部通信網(wǎng)采用簡單的星型拓撲結構,具有組網(wǎng)方便、接口開放等優(yōu)點,但由于協(xié)調器與終端節(jié)點采用輪詢方式,在自組網(wǎng)方面尚待改進。
參考文獻:
[1] 謝亮.基于nRF24LE1的無線寬帶結構健康監(jiān)測[J].微計算機信息(測控自動化),2009,25(7-1).
[2] 馬躍坤,應時彥,肖林榮.基于nRF24LE1芯片的一對多無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)[J].中國電子商情(RFID技術與應用),2009(3).
[3] 李輝,宋詩,周建江.基于ARM和nRF24L01的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].國外電子元器件,2008(12).
[4] 羅霖.基于ARM-Linux的IP Camera解決方案.上海杰得微電子有限公司,2006.
[5] nRF24LE1+datasheet.
摘要:以三星公司的ARM9(S3C2410)和Nordic公司的nRF24LE1單片機為核心,結合Internet、GPRS、及傳感器技術,采用有線與無線相結合的聯(lián)網(wǎng)方式實現(xiàn)一個中低端家居智能集中控制系統(tǒng),重點分析了整體方案和軟硬件設計。
關鍵詞:智能家居系統(tǒng);ARM9;nRF24LE1
中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)08-2033-02
Smart Home System Based on ARM9 and nRF24LE1
ZENG Yan1, ZENG Bao-guo2
(Sichuan Information Technology College, Guangyuan 628017, China)
Abstract: With the core of Samsung's ARM9 (S3C2410) and the Nordic company's nRF24LE1 microcontroller, combining with Internet, GPRS, and sensor technology, the thesis designs and realizes a low-end Smart Home Control Systems, mainly introduced the overall design, the hardware design and the software design of the system.
Key words: smart home system; ARM9; nRF24LE1
1 概述
智能家居是現(xiàn)代科技、建筑與人居理念的完美結合,它以住宅為平臺,利用計算機技術、數(shù)字技術、網(wǎng)絡通信技術和綜合布線技術,將與居家生活有關的家庭安防監(jiān)控、公共安防監(jiān)控、信息系統(tǒng)、家庭設備的互連與遙控、物業(yè)管理等有機地聯(lián)接起來,通過中央管理平臺進行網(wǎng)絡化綜合管理和遠程控制,來創(chuàng)造一個優(yōu)質、高效、舒適、安全、便利、節(jié)能、健康、環(huán)保的居住生活環(huán)境空間。
廣闊的市場前景為智能家居的發(fā)展提供了經(jīng)濟源動力,而各種微處理器技術、嵌入式操作系統(tǒng)技術、通訊技術的進步則為智能家居的實現(xiàn)提供了必要的技術基礎。本文以三星公司的ARM9(S3C2410)和Nordic公司的nRF24LE1單片機為核心,結合Internet、GPRS及傳感器技術,采用有線與無線相結合的聯(lián)網(wǎng)方式實現(xiàn)一個中低端家居智能集中控制系統(tǒng)。
2 總體方案
智能家居系統(tǒng)一般可以劃分為內部網(wǎng)、協(xié)調器和外部網(wǎng)三個部分。目前關于家庭內部網(wǎng)絡有多種解決方案,無線組網(wǎng)因具有組網(wǎng)和維護方便、擴展性好等特點成為今后發(fā)展的趨勢�；谠O計技術可行、系統(tǒng)功能經(jīng)濟適用、接口開放、數(shù)據(jù)庫功能強等基本原則,本系統(tǒng)采用如圖1所示的星型組網(wǎng)方案,由一個協(xié)調器(匯聚節(jié)點)和多個室內終端節(jié)點組成。協(xié)調器以三星公司ARM9(S3C2410)為控制器,它具有較強的處理能力,能提供較好的數(shù)據(jù)庫支持功能;各終端節(jié)點以nRF24LE1無線單片機為微控制器,它采用了Nordic最新的無線和超低功耗技術,內部集成了增強型51內核單片機、A/D、2.4GHz無線傳輸?shù)韧庠O及豐富的接口,很適合應用于智能家居系統(tǒng),完成各類傳感器采集的溫度、亮度、濕度等模擬量的采集、處理和無線傳輸。
3 硬件設計
3.1 協(xié)調器的硬件框圖
協(xié)調器是智能家居系統(tǒng)的核心部分。對內網(wǎng),它需要完成室內各終端節(jié)點的控制、管理、協(xié)調功能;對外網(wǎng),它需提供各種遠程智能控制接口,使操作者可以通過網(wǎng)絡、短信/彩信對系統(tǒng)進行監(jiān)控。
協(xié)調器的詳細功能模塊如圖2所示。為了實現(xiàn)協(xié)調器的復雜功能,本課題選擇S3C2410為控制核心,其最高工作頻率可達203MHz,能提供很強的數(shù)據(jù)處理能力。為了移植Linux操作系統(tǒng)和支持所需的應用軟件,需配置64MB的NAND Flash、64MB的SDRAM;為了掛接IP Camera等外設,需在處理器上引出一個USB接口、一個以太網(wǎng)接口(RJ45)、三個Uart接口(一個支持GPRS,一個支持無線數(shù)據(jù)傳輸、一個支持串口調試。由于S3C2410僅能支持兩個Uart,因此需在Uart1上擴展出兩個Uart。)另外,為了便于調試和用戶進行系統(tǒng)設置,還可以連接有一個分辨率為320*240像素的TFT液晶,并能支持觸摸屏。
3.2 終端節(jié)點
除IP Camera外,其它各終端節(jié)點均以nRF24LE1無線單片機為基礎開發(fā),由硬件和執(zhí)行機構組成,用于實現(xiàn)有關數(shù)據(jù)的采集、上報和對家居設備的控制。
3.2.1 IP Camera
IP Camera與協(xié)調器之間的通信采用有線方式。若在協(xié)調器上直接架設IP Camera系統(tǒng),可利用普通USB攝像頭完成圖像采集,然后通過協(xié)調器上的網(wǎng)卡或GPRS發(fā)給遠程用戶。雖然這種方式經(jīng)濟適用,但會大大增加協(xié)調器的開發(fā)難度,因此本文選擇專用IP Camera模塊,通過HUB與協(xié)調器實現(xiàn)互通和IP地址的綁定,就可實現(xiàn)所需功能。
3.2.2 其它節(jié)點的硬件設計
照明控制等節(jié)點與協(xié)調器之間的通信采用無線方式,因此采用nRF24LE1無線單片機為微處理器,它內置了硬件鏈路層協(xié)議,采用了抗干擾能力強的GFSK調制解調技術,片內能自動生成報頭和CRC校驗碼, 具有出錯自動重發(fā)功能,因此基于nRF24LE1的終端節(jié)點具有電路簡單、成本低、速率高、傳輸距離遠(可達50m)等優(yōu)點。為了解決各節(jié)點的防碰撞問題和簡化設計,協(xié)調器與終端節(jié)點間采用輪詢工作方式。
照明控制節(jié)點要實現(xiàn)照明設備的遙控開關、亮度調整、場景組合等控制功能,因此至少需要一個光線強度檢測器和多個燈具控制器。電器控制節(jié)點以窗簾、家電等為控制對象,需在nRF24LE1的基礎上連接繼電器和傳感器接口。火災報警節(jié)點由nRF24LE1、溫度傳感器、煙霧傳感器、聲光報警裝置等構成�？扇細怏w泄露報警節(jié)點由nRF24LE1、高品質氣敏傳感器、聲光報警裝置、氣源控制閥等。防盜報警節(jié)點一般安裝在客廳及廚房陽臺入口、臥室窗戶上,由熱釋電紅外傳感器、玻璃破碎傳感器和聲光報警裝置等構成。緊急求救節(jié)點用于安全防范、老人救護等緊急情況下的求救報警,對其基本要求是工作可靠、使用簡便、安放靈活,由nRF24LE1及多路按鍵開關構成。各節(jié)點雖然功能不同,但電路結構均是在nRF24LE1的基礎上接入各類傳感器和多路繼電器,以完成信息采集和家居設備控制功能。
4 軟件設計
智能家居系統(tǒng)的軟件包括協(xié)調器部分軟件和各終端節(jié)點部分軟件。為了支持數(shù)據(jù)庫、架設Web Sever和提供PPPoE(支持彩信),協(xié)調器部分需進行操作系統(tǒng)的移植、底層驅動程序開發(fā)和上層應用程序開發(fā),各終端節(jié)點則主要需完成信息采集、上報和動作執(zhí)行功能的軟件設計。
4.1 協(xié)調器軟件設計
協(xié)調器部分軟件采用了嵌入式Linux操作系統(tǒng)(2.6內核)以支持數(shù)據(jù)庫和應用軟件。Linux本身作為一個桌面系統(tǒng),進入嵌入式操作系統(tǒng)領域時,需解決硬件支持、提供二次開發(fā)環(huán)境及內核裁減等問題。Linux2.6內核支持主流的網(wǎng)卡驅動,可以避開網(wǎng)卡驅動和網(wǎng)絡協(xié)議移植這一繁瑣的過程。具體程序設計包括Bootloader啟動代碼、設備驅動程序(串口、網(wǎng)絡接口、LCD接口、TSP接口、GPRS接口驅動程序等)、網(wǎng)絡協(xié)議處理、用用程序等,其層次結構如圖3所示。
