摘要:以三星公司的ARM9(S3C2410)和Nordic公司的nRF24LE1單片機(jī)為核心,結(jié)合Internet、GPRS、及傳感器技術(shù),采用有線與無(wú)線相結(jié)合的聯(lián)網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)中低端家居智能集中控制系統(tǒng),重點(diǎn)分析了整體方案和軟硬件設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞:智能家居系統(tǒng);ARM9;nRF24LE1
中圖分類號(hào):TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(jié)合,它以住宅為平臺(tái),利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和綜合布線技術(shù),將與居家生活有關(guān)的家庭安防監(jiān)控、公共安防監(jiān)控、信息系統(tǒng)、家庭設(shè)備的互連與遙控、物業(yè)管理等有機(jī)地聯(lián)接起來(lái),通過中央管理平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化綜合管理和遠(yuǎn)程控制,來(lái)創(chuàng)造一個(gè)優(yōu)質(zhì)、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(chǎng)前景為智能家居的發(fā)展提供了經(jīng)濟(jì)源動(dòng)力,而各種微處理器技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)、通訊技術(shù)的進(jìn)步則為智能家居的實(shí)現(xiàn)提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。本文以三星公司的ARM9(S3C2410)和Nordic公司的nRF24LE1單片機(jī)為核心,結(jié)合Internet、GPRS及傳感器技術(shù),采用有線與無(wú)線相結(jié)合的聯(lián)網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(nèi)部網(wǎng)、協(xié)調(diào)器和外部網(wǎng)三個(gè)部分。目前關(guān)于家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)有多種解決方案,無(wú)線組網(wǎng)因具有組網(wǎng)和維護(hù)方便、擴(kuò)展性好等特點(diǎn)成為今后發(fā)展的趨勢(shì)。基于設(shè)計(jì)技術(shù)可行、系統(tǒng)功能經(jīng)濟(jì)適用、接口開放、數(shù)據(jù)庫(kù)功能強(qiáng)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(gè)協(xié)調(diào)器(匯聚節(jié)點(diǎn))和多個(gè)室內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)組成。協(xié)調(diào)器以三星公司ARM9(S3C2410)為控制器,它具有較強(qiáng)的處理能力,能提供較好的數(shù)據(jù)庫(kù)支持功能;各終端節(jié)點(diǎn)以nRF24LE1無(wú)線單片機(jī)為微控制器,它采用了Nordic最新的無(wú)線和超低功耗技術(shù),內(nèi)部集成了增強(qiáng)型51內(nèi)核單片機(jī)、A/D、2.4GHz無(wú)線傳輸?shù)韧庠O(shè)及豐富的接口,很適合應(yīng)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(wú)線傳輸。
3 硬件設(shè)計(jì)
3.1 協(xié)調(diào)器的硬件框圖
協(xié)調(diào)器是智能家居系統(tǒng)的核心部分。對(duì)內(nèi)網(wǎng),它需要完成室內(nèi)各終端節(jié)點(diǎn)的控制、管理、協(xié)調(diào)功能;對(duì)外網(wǎng),它需提供各種遠(yuǎn)程智能控制接口,使操作者可以通過網(wǎng)絡(luò)、短信/彩信對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。
協(xié)調(diào)器的詳細(xì)功能模塊如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器的復(fù)雜功能,本課題選擇S3C2410為控制核心,其最高工作頻率可達(dá)203MHz,能提供很強(qiáng)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(yīng)用軟件,需配置64MB的NAND Flash、64MB的SDRAM;為了掛接IP Camera等外設(shè),需在處理器上引出一個(gè)USB接口、一個(gè)以太網(wǎng)接口(RJ45)、三個(gè)Uart接口(一個(gè)支持GPRS,一個(gè)支持無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、一個(gè)支持串口調(diào)試。由于S3C2410僅能支持兩個(gè)Uart,因此需在Uart1上擴(kuò)展出兩個(gè)Uart。)另外,為了便于調(diào)試和用戶進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置,還可以連接有一個(gè)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(diǎn)
除IP Camera外,其它各終端節(jié)點(diǎn)均以nRF24LE1無(wú)線單片機(jī)為基礎(chǔ)開發(fā),由硬件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成,用于實(shí)現(xiàn)有關(guān)數(shù)據(jù)的采集、上報(bào)和對(duì)家居設(shè)備的控制。
3.2.1 IP Camera
IP Camera與協(xié)調(diào)器之間的通信采用有線方式。若在協(xié)調(diào)器上直接架設(shè)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(diào)器上的網(wǎng)卡或GPRS發(fā)給遠(yuǎn)程用戶。雖然這種方式經(jīng)濟(jì)適用,但會(huì)大大增加協(xié)調(diào)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(diào)器實(shí)現(xiàn)互通和IP地址的綁定,就可實(shí)現(xiàn)所需功能。
3.2.2 其它節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
照明控制等節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的通信采用無(wú)線方式,因此采用nRF24LE1無(wú)線單片機(jī)為微處理器,它內(nèi)置了硬件鏈路層協(xié)議,采用了抗干擾能力強(qiáng)的GFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù),片內(nèi)能自動(dòng)生成報(bào)頭和CRC校驗(yàn)碼, 具有出錯(cuò)自動(dòng)重發(fā)功能,因此基于nRF24LE1的終端節(jié)點(diǎn)具有電路簡(jiǎn)單、成本低、速率高、傳輸距離遠(yuǎn)(可達(dá)50m)等優(yōu)點(diǎn)。為了解決各節(jié)點(diǎn)的防碰撞問題和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)間采用輪詢工作方式。
照明控制節(jié)點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的遙控開關(guān)、亮度調(diào)整、場(chǎng)景組合等控制功能,因此至少需要一個(gè)光線強(qiáng)度檢測(cè)器和多個(gè)燈具控制器。電器控制節(jié)點(diǎn)以窗簾、家電等為控制對(duì)象,需在nRF24LE1的基礎(chǔ)上連接繼電器和傳感器接口�；馂�(zāi)報(bào)警節(jié)點(diǎn)由nRF24LE1、溫度傳感器、煙霧傳感器、聲光報(bào)警裝置等構(gòu)成�？扇�?xì)怏w泄露報(bào)警節(jié)點(diǎn)由nRF24LE1、高品質(zhì)氣敏傳感器、聲光報(bào)警裝置、氣源控制閥等。防盜報(bào)警節(jié)點(diǎn)一般安裝在客廳及廚房陽(yáng)臺(tái)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(bào)警裝置等構(gòu)成。緊急求救節(jié)點(diǎn)用于安全防范、老人救護(hù)等緊急情況下的求救報(bào)警,對(duì)其基本要求是工作可靠、使用簡(jiǎn)便、安放靈活,由nRF24LE1及多路按鍵開關(guān)構(gòu)成。各節(jié)點(diǎn)雖然功能不同,但電路結(jié)構(gòu)均是在nRF24LE1的基礎(chǔ)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(shè)備控制功能。
4 軟件設(shè)計(jì)
智能家居系統(tǒng)的軟件包括協(xié)調(diào)器部分軟件和各終端節(jié)點(diǎn)部分軟件。為了支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)、架設(shè)Web Sever和提供PPPoE(支持彩信),協(xié)調(diào)器部分需進(jìn)行操作系統(tǒng)的移植、底層驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)和上層應(yīng)用程序開發(fā),各終端節(jié)點(diǎn)則主要需完成信息采集、上報(bào)和動(dòng)作執(zhí)行功能的軟件設(shè)計(jì)。
4.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)
協(xié)調(diào)器部分軟件采用了嵌入式Linux操作系統(tǒng)(2.6內(nèi)核)以支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用軟件。Linux本身作為一個(gè)桌面系統(tǒng),進(jìn)入嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域時(shí),需解決硬件支持、提供二次開發(fā)環(huán)境及內(nèi)核裁減等問題。Linux2.6內(nèi)核支持主流的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng),可以避開網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議移植這一繁瑣的過程。具體程序設(shè)計(jì)包括Bootloader啟動(dòng)代碼、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(串口、網(wǎng)絡(luò)接口、LCD接口、TSP接口、GPRS接口驅(qū)動(dòng)程序等)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理、用用程序等,其層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。
從對(duì)內(nèi)網(wǎng)的管理角度看,協(xié)調(diào)器需要完成網(wǎng)絡(luò)的建立、地址的分配和終端節(jié)點(diǎn)的加入、設(shè)備數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)表的維護(hù)等。協(xié)調(diào)器采用輪詢方式查找室內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn),并給每個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)組網(wǎng),當(dāng)查找到某節(jié)點(diǎn)就將其添加入網(wǎng),否則將其刪除。
4.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)是傳感器信息采集、處理和無(wú)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(wú)線傳輸部分,nRF24LE1 的8051內(nèi)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(nèi)部特殊功能寄存器,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)置、自動(dòng)應(yīng)答設(shè)置、自動(dòng)重發(fā)設(shè)置、頻段選擇、發(fā)射功率設(shè)置、CRC 設(shè)置等等。nRF24LE1的工作模式有發(fā)射、接收、待機(jī)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(gè)確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào),能更好地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?并且功耗低、編程簡(jiǎn)單,因此本系統(tǒng)選擇Enhanced ShockBurstTM模式。nRF24LE1內(nèi)置的nRF24L01在接收模式下可接收6 個(gè)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(diào)器與各終端節(jié)點(diǎn)采用輪詢方式工作,因此各節(jié)點(diǎn)在接收時(shí)可均使用通道0,但需設(shè)置為不同的40 位地址。各終端節(jié)點(diǎn)的軟件工作流程如圖4所示。
5 結(jié)束語(yǔ)
通過探討智能家居系統(tǒng)的方案,提出了基于S3C2410的協(xié)調(diào)器和基于nRF24LE1的終端節(jié)點(diǎn)的軟硬件體系結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方案,既提供了較強(qiáng)的功能和數(shù)據(jù)處理、管理能力,又充分利用了nRF24LE1無(wú)線單片機(jī)低功耗、無(wú)線集成等優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)采用簡(jiǎn)單的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),具有組網(wǎng)方便、接口開放等優(yōu)點(diǎn),但由于協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)采用輪詢方式,在自組網(wǎng)方面尚待改進(jìn)。
參考文獻(xiàn):
[1] 謝亮.基于nRF24LE1的無(wú)線寬帶結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[J].微計(jì)算機(jī)信息(測(cè)控自動(dòng)化),2009,25(7-1).
[2] 馬躍坤,應(yīng)時(shí)彥,肖林榮.基于nRF24LE1芯片的一對(duì)多無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)[J].中國(guó)電子商情(RFID技術(shù)與應(yīng)用),2009(3).
[3] 李輝,宋詩(shī),周建江.基于ARM和nRF24L01的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].國(guó)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.
關(guān)鍵詞:智能家居系統(tǒng);ARM9;nRF24LE1
中圖分類號(hào):TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(jié)合,它以住宅為平臺(tái),利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和綜合布線技術(shù),將與居家生活有關(guān)的家庭安防監(jiān)控、公共安防監(jiān)控、信息系統(tǒng)、家庭設(shè)備的互連與遙控、物業(yè)管理等有機(jī)地聯(lián)接起來(lái),通過中央管理平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化綜合管理和遠(yuǎn)程控制,來(lái)創(chuàng)造一個(gè)優(yōu)質(zhì)、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(chǎng)前景為智能家居的發(fā)展提供了經(jīng)濟(jì)源動(dòng)力,而各種微處理器技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)、通訊技術(shù)的進(jìn)步則為智能家居的實(shí)現(xiàn)提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。本文以三星公司的ARM9(S3C2410)和Nordic公司的nRF24LE1單片機(jī)為核心,結(jié)合Internet、GPRS及傳感器技術(shù),采用有線與無(wú)線相結(jié)合的聯(lián)網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(nèi)部網(wǎng)、協(xié)調(diào)器和外部網(wǎng)三個(gè)部分。目前關(guān)于家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)有多種解決方案,無(wú)線組網(wǎng)因具有組網(wǎng)和維護(hù)方便、擴(kuò)展性好等特點(diǎn)成為今后發(fā)展的趨勢(shì)。基于設(shè)計(jì)技術(shù)可行、系統(tǒng)功能經(jīng)濟(jì)適用、接口開放、數(shù)據(jù)庫(kù)功能強(qiáng)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(gè)協(xié)調(diào)器(匯聚節(jié)點(diǎn))和多個(gè)室內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)組成。協(xié)調(diào)器以三星公司ARM9(S3C2410)為控制器,它具有較強(qiáng)的處理能力,能提供較好的數(shù)據(jù)庫(kù)支持功能;各終端節(jié)點(diǎn)以nRF24LE1無(wú)線單片機(jī)為微控制器,它采用了Nordic最新的無(wú)線和超低功耗技術(shù),內(nèi)部集成了增強(qiáng)型51內(nèi)核單片機(jī)、A/D、2.4GHz無(wú)線傳輸?shù)韧庠O(shè)及豐富的接口,很適合應(yīng)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(wú)線傳輸。
3 硬件設(shè)計(jì)
3.1 協(xié)調(diào)器的硬件框圖
協(xié)調(diào)器是智能家居系統(tǒng)的核心部分。對(duì)內(nèi)網(wǎng),它需要完成室內(nèi)各終端節(jié)點(diǎn)的控制、管理、協(xié)調(diào)功能;對(duì)外網(wǎng),它需提供各種遠(yuǎn)程智能控制接口,使操作者可以通過網(wǎng)絡(luò)、短信/彩信對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。
協(xié)調(diào)器的詳細(xì)功能模塊如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器的復(fù)雜功能,本課題選擇S3C2410為控制核心,其最高工作頻率可達(dá)203MHz,能提供很強(qiáng)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(yīng)用軟件,需配置64MB的NAND Flash、64MB的SDRAM;為了掛接IP Camera等外設(shè),需在處理器上引出一個(gè)USB接口、一個(gè)以太網(wǎng)接口(RJ45)、三個(gè)Uart接口(一個(gè)支持GPRS,一個(gè)支持無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、一個(gè)支持串口調(diào)試。由于S3C2410僅能支持兩個(gè)Uart,因此需在Uart1上擴(kuò)展出兩個(gè)Uart。)另外,為了便于調(diào)試和用戶進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置,還可以連接有一個(gè)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(diǎn)
除IP Camera外,其它各終端節(jié)點(diǎn)均以nRF24LE1無(wú)線單片機(jī)為基礎(chǔ)開發(fā),由硬件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成,用于實(shí)現(xiàn)有關(guān)數(shù)據(jù)的采集、上報(bào)和對(duì)家居設(shè)備的控制。
3.2.1 IP Camera
IP Camera與協(xié)調(diào)器之間的通信采用有線方式。若在協(xié)調(diào)器上直接架設(shè)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(diào)器上的網(wǎng)卡或GPRS發(fā)給遠(yuǎn)程用戶。雖然這種方式經(jīng)濟(jì)適用,但會(huì)大大增加協(xié)調(diào)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(diào)器實(shí)現(xiàn)互通和IP地址的綁定,就可實(shí)現(xiàn)所需功能。
3.2.2 其它節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
照明控制等節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的通信采用無(wú)線方式,因此采用nRF24LE1無(wú)線單片機(jī)為微處理器,它內(nèi)置了硬件鏈路層協(xié)議,采用了抗干擾能力強(qiáng)的GFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù),片內(nèi)能自動(dòng)生成報(bào)頭和CRC校驗(yàn)碼, 具有出錯(cuò)自動(dòng)重發(fā)功能,因此基于nRF24LE1的終端節(jié)點(diǎn)具有電路簡(jiǎn)單、成本低、速率高、傳輸距離遠(yuǎn)(可達(dá)50m)等優(yōu)點(diǎn)。為了解決各節(jié)點(diǎn)的防碰撞問題和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)間采用輪詢工作方式。
照明控制節(jié)點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的遙控開關(guān)、亮度調(diào)整、場(chǎng)景組合等控制功能,因此至少需要一個(gè)光線強(qiáng)度檢測(cè)器和多個(gè)燈具控制器。電器控制節(jié)點(diǎn)以窗簾、家電等為控制對(duì)象,需在nRF24LE1的基礎(chǔ)上連接繼電器和傳感器接口�；馂�(zāi)報(bào)警節(jié)點(diǎn)由nRF24LE1、溫度傳感器、煙霧傳感器、聲光報(bào)警裝置等構(gòu)成�？扇�?xì)怏w泄露報(bào)警節(jié)點(diǎn)由nRF24LE1、高品質(zhì)氣敏傳感器、聲光報(bào)警裝置、氣源控制閥等。防盜報(bào)警節(jié)點(diǎn)一般安裝在客廳及廚房陽(yáng)臺(tái)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(bào)警裝置等構(gòu)成。緊急求救節(jié)點(diǎn)用于安全防范、老人救護(hù)等緊急情況下的求救報(bào)警,對(duì)其基本要求是工作可靠、使用簡(jiǎn)便、安放靈活,由nRF24LE1及多路按鍵開關(guān)構(gòu)成。各節(jié)點(diǎn)雖然功能不同,但電路結(jié)構(gòu)均是在nRF24LE1的基礎(chǔ)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(shè)備控制功能。
4 軟件設(shè)計(jì)
智能家居系統(tǒng)的軟件包括協(xié)調(diào)器部分軟件和各終端節(jié)點(diǎn)部分軟件。為了支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)、架設(shè)Web Sever和提供PPPoE(支持彩信),協(xié)調(diào)器部分需進(jìn)行操作系統(tǒng)的移植、底層驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)和上層應(yīng)用程序開發(fā),各終端節(jié)點(diǎn)則主要需完成信息采集、上報(bào)和動(dòng)作執(zhí)行功能的軟件設(shè)計(jì)。
4.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)
協(xié)調(diào)器部分軟件采用了嵌入式Linux操作系統(tǒng)(2.6內(nèi)核)以支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用軟件。Linux本身作為一個(gè)桌面系統(tǒng),進(jìn)入嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域時(shí),需解決硬件支持、提供二次開發(fā)環(huán)境及內(nèi)核裁減等問題。Linux2.6內(nèi)核支持主流的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng),可以避開網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議移植這一繁瑣的過程。具體程序設(shè)計(jì)包括Bootloader啟動(dòng)代碼、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(串口、網(wǎng)絡(luò)接口、LCD接口、TSP接口、GPRS接口驅(qū)動(dòng)程序等)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理、用用程序等,其層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。
從對(duì)內(nèi)網(wǎng)的管理角度看,協(xié)調(diào)器需要完成網(wǎng)絡(luò)的建立、地址的分配和終端節(jié)點(diǎn)的加入、設(shè)備數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)表的維護(hù)等。協(xié)調(diào)器采用輪詢方式查找室內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn),并給每個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)組網(wǎng),當(dāng)查找到某節(jié)點(diǎn)就將其添加入網(wǎng),否則將其刪除。
4.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)是傳感器信息采集、處理和無(wú)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(wú)線傳輸部分,nRF24LE1 的8051內(nèi)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(nèi)部特殊功能寄存器,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)置、自動(dòng)應(yīng)答設(shè)置、自動(dòng)重發(fā)設(shè)置、頻段選擇、發(fā)射功率設(shè)置、CRC 設(shè)置等等。nRF24LE1的工作模式有發(fā)射、接收、待機(jī)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(gè)確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào),能更好地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?并且功耗低、編程簡(jiǎn)單,因此本系統(tǒng)選擇Enhanced ShockBurstTM模式。nRF24LE1內(nèi)置的nRF24L01在接收模式下可接收6 個(gè)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(diào)器與各終端節(jié)點(diǎn)采用輪詢方式工作,因此各節(jié)點(diǎn)在接收時(shí)可均使用通道0,但需設(shè)置為不同的40 位地址。各終端節(jié)點(diǎn)的軟件工作流程如圖4所示。
5 結(jié)束語(yǔ)
通過探討智能家居系統(tǒng)的方案,提出了基于S3C2410的協(xié)調(diào)器和基于nRF24LE1的終端節(jié)點(diǎn)的軟硬件體系結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方案,既提供了較強(qiáng)的功能和數(shù)據(jù)處理、管理能力,又充分利用了nRF24LE1無(wú)線單片機(jī)低功耗、無(wú)線集成等優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)采用簡(jiǎn)單的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),具有組網(wǎng)方便、接口開放等優(yōu)點(diǎn),但由于協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)采用輪詢方式,在自組網(wǎng)方面尚待改進(jìn)。
參考文獻(xiàn):
[1] 謝亮.基于nRF24LE1的無(wú)線寬帶結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[J].微計(jì)算機(jī)信息(測(cè)控自動(dòng)化),2009,25(7-1).
[2] 馬躍坤,應(yīng)時(shí)彥,肖林榮.基于nRF24LE1芯片的一對(duì)多無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)[J].中國(guó)電子商情(RFID技術(shù)與應(yīng)用),2009(3).
[3] 李輝,宋詩(shī),周建江.基于ARM和nRF24L01的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].國(guó)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.
