家电远程控制系统的设计

家电远程控制系统的设计(项目基金：河南省教育厅科学技术攻关项目；项目名称：智能家居系统的研究；编号：2006120012；申请人：魏平俊）魏平俊1，冯荣耀2，王现军3（1.中原工学院，电子信息学院，河南郑州450007；2.郑州大学，教育技术中心，河南郑州450052；3.郑州大学，信息工程学院，河南郑州450052）摘要：首先给出了系统硬件结构，系统控制器采用单片机AT89C51，接口采用RS232，电平转换芯片采用MAX232，无线收发器采用NRF401。然后给出了系统数据流程，建立了系统通信协议，包括通信方式的设计、服务器与网关的通信协议以及网关与家电控制器的通信协议。给出了系统软件的设计流程图。测试结果表明，系统具有良好的实用性、可靠性和可扩展性，达到了设计目的。关键词：家用电器；远程控制；网关控制器；通信协议中图分类号：TN602文献标识码：B文章编号：DesignofHomeAppliancesRemoteControllingSystemWeiPing-jun1；FengRong-yao2；WangXian-jun3(1.DepartmentofElectricsandInformationEngineering,ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China;2.CenterofEducationTechnical,ZhengzhouUniversity,HenanZhengzhou450052,China;3.InstituteofInformationEngineering,ZhengzhouUniversity,HenanZhengzhou450052,China）Abstract:.Thepaperputforwardsystemhardwarestructurefirst,thesystemcontrolleradoptaminiaturecomputerAT89C51,thecomputerinterfaceadoptRS232,thevoltageconvertoradoptRS232,theradiotransceiveradoptNRF401.Systemdriftagedataisputforwardnext,systemcorrespondencenegotiateisbuiltup,itincludescorrespondenceway,server-getwaycorrespondencenegotiateandgetway-homeappliancescontrollercorrespondencenegotiate.Thesystemsoftwaredriftagechartisputforwardfinally.Theexperimentresultmakeclearthesystemhasfinepracticability,reliabilityandextendibility,thedesignpurposeisrealized.Keywords:homeappliances;remotecontrolling;getwaycontroller;correspondencenegotiate1引言随着网络技术的发展以及生活水平的提高，智能家居逐步进入人们的生活。智能家居是利用电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台把与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个综合系统。家电远程控制系统是智能家居的重要组成部分，系统包括远程客户端、家庭服务器、网关控制器、家电控制器等四个子系统。本文着重介绍网关控制器、家电控制器的设计。2系统硬件设计家电远程控制系统，除了PC之外，系统硬件主要有网关模块和家电控制模块，如图1所示，系统控制器采用单片机AT89C51，接口采用RS232，电瓶转换芯片采用MAX23无线收发器采用NRF401。系统先由PC向网关传递数据，PC通过串口RS-232-C与AT89C51连接，AT89C51通过NRF401把数据发向各个家电控制器，家电控制器操作各个家电，操作结果通过NRF401传到网关，由网关方向NRF401接收，并把这个数据传送到PC机。整个流程从远端登录家庭PC，PC通过网关传送数据到家电控制器，各控制器把结果通过网关返回到PC上，从而实现通过INTERNET使远程用户控制家电的目的。PCRS232MAX232AT89C51NRF401网关NRF401AT89C51D/A转换器家用电器1家用电器212电磁阀开关家用电器nn．．．．．．家电控制器图1系统硬件组成框图每一种家电都有一个总的控制器，同类家电由家电控制器根据相应的家电地址进行控制，不同种类的家电通过不同家电控制器进行控制。2.1控制器系统采用的控制器是AT89C51，是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS八位微处理器。它采用QTMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。将多功能八位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，使ATMEL的AT89C51成为一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。在网关中，AT89C51主要控制RS232与PC接收和发送数据，控制NRF401的发送与接收数据。在控制器中，AT89C51控制NRF401的发送与接收数据和处理数据命令。2.2无线收发器选择无线收发芯片时应该考虑的主要因素有：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。本设计选用的NRF401单片无线收发芯片为短距离无线通信提供了较好的解决方法。NRF401是一个433MHzISMA频段的单片UHF无线收发芯片。NRF401无线收发芯片的结构有：内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几部分。它采用FSK调制解调技术，最高工作速率可以达到20K，发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm。NRF401的天线接口设计差分天线，以便于使用低成本的PCB天线。NRF401射频模块硬件电路具体设计：为了获得最佳的RF性能，使用1.6mnRF4板材的双面PCB，NRF401的直流供电必须使用高性能的RF电容去耦。在PCB板上，应避免电源走线，所有的开关数字信号和控制信号都不能经过NRF401的PLL环路滤波元件和VCO电感附近。连接NRF401的天线采用了差分方式连，家电控制器的天线采用的是直接蚀刻在PCB板上的差分环形天线，网关的天线采用高灵敏度单方向天线，单端天线与NRF401之间是通过一个差分转换匹配网络连接起来的。因采用了低发射频率、高接收灵敏度的设计，无需申请使用许可证，开阔的使用距离最远可达1000米（与具体使用环境及元件参数有关）。3通信协议3.1通信方式的设计数据通信的传输方式有单工、半双工、全双工和多工方式。考虑家用电器的控制不需收发双方同时传送数据，系统采用了半双工通信方式。半双工通信方式，可以实现数据的双向传送，但不能同时进行，系统是通过某种协议来实现收、发开关转换的。串行数据通信形式有异步通信和同步通信两种。异步通信，接收器和发送器有各自的时钟，它们的工作是非同步的，异步通信用一帧来表示一个字符，每传输一帧字符需要加上起始位和停止位，占用了传输时间，在要求传送数据量较大的场合，速度较慢；同步通信，发送器和接收器由同一个时钟源控制，同步传输方式不需要起始位和停止位，只要在传输数据块时先送出一个同步头（字符）标志即可，比异步传输方式速度更快，但同步传输方式必须用一个时钟来协调收发器的工作，所以设备比较复杂。考虑家用电器控制对传输速度要求不高，系统采用异步通信。3.2系统通信协议系统NRF401工作在ISM频段433MHz附近，该频段无需申请许可证，网关作为传递控制安全的载体，先由PC向网关传递数据，数据由PC传到网关以后保存在地址位7000H的存储单元中，然后启动无线收发器，从7000H单元中读出数据，并通过NRF401发送出去。发送时先由网关发出，各控制器接收并识别，若是自己的地址，则回送一个“地址正确”的信号。若网关连发三次地址没有控制器响应，则网关返回PC一个“找不到控制器”的信息。网关收到地址正确后，发送数据，控制器接收并校验，直到接受正确为止。控制器接收到数据后，进行判断是何种操作并执行，然后把执行结果发回网关。网关接收控制器信息并校验，校验的结果不对，则要求重发，直到接收正确。控制字有网关发出，控制字的内容包含有地址和控制命令，其中的地址是由家电控制器的地址和家电地址组成，控制命令是控制家电的开\关两个量，此时家电控制器都处于接收状态，检测地址若与自己的地址相同则继续接收数据，然后操作家电，并把操作结果数据由家电控制发给网关控制器。网关把从接收回来的数据放在7000H的地址。向PC传送数据时，是从7000H开头的地址开始传送，传送完成以后，网关等待下一组操作家电时传来的命令数据。每次只能操作一台家电，只有操作信息返回后，才能执行下一台家电的操作，这样就避免了无线传输中的数据碰撞问题。NRF401的最大数据传输率为20kbps，为了获得网关与控制器之间的稳定通信，单片机的系统时钟频率为6MHz，波特率选定为1200bps。3.3无线通信协议的设计无线通信协议的关键是能够识别噪声和有效数据。噪声是以随机字节出现的，没有明显的结合方式；噪声源可以产生任意字节的组合。系统是通过一种协议方式来有效地抑制噪声的。系统采取了差错控制与容错技术。通过测试和试验发现，oxFF后跟oxAA、ox55在噪声中不容易发生。传输协议应该在数据包前加开始字节，oxFF后跟oxAA、ox55发送协议的开始应该是一个任意内容的字节（这是因为第一个字节的数据在发送时容易丢失），然后是oxFF后跟一个oxAA、ox55；接收协议规定只接收以oxFF后跟oxAA、ox55开始的包，有效地抑制噪声。一个指令由4字节构成，首先发送的是控制器地址字节，家电控制器验证通过后，然后发送后三个字节，并形成校验和，后三个字节发出后，发校验和，如果网关没有接收到地址符合的信号，则重发该命令，连续三次错误时停发。数据从家电控制器发到网关时，4个字节是直接发送的。因为网关能接收所有除自己发送以外的数据。4软件设计系统涉及到的软件主要有本地服务器程序、服务器端应用程序、网关接收服务器数据的程序和网关发送数据到服务器的程序。下面给出服务器和网关收发数据的程序设计。4.1网关主程序网关主程序完成网关与服务器的数据交换及网关与家电控制器的数据交换，程序框图如图2所示。开始网关接收PC数据初始化网关发送数据到控制器网关接收控制器的数据网关传送数据到PC图2网关主程序流程图4.2网关接收服务器数据的程序网关接收服务器数据时，在连续收到FFH,AAH,55H三个同步符后进行地址验证，验证通过后正式接收指令字节；如未通过，则网关发一信号让服务器重发，三次验证不过则停发该命令。程序流程如图3所示。开始接收结束接收数据返回#BBH接收#FFH返回#AAH效验正确YN图3网关接收服务器数据的流程图4.3网关发送数据到服务器网关发送数据到服务器时，是先发FFH，AAH，55H三个同步符，然后发送数据，网关每发一个家电控制指令，家电控制器都回送一个应答信号。该应答信号指示传送数据正确与否。程序流程如图4所示。网关发送数据到服务接收结束发送数据发送#FFH返回YN图4网关发送数据到服务器的流程图5结论本文基于单片机AT89C51和无线收发器NRF401设计了家电远程控制系统，建立了系统通信协议，包括通信方式的设计、服务器与网关的通信协议以及网关与家电控制器的通信协议；给出了系统主要软件的设计流程图。测试结果表明，系统具有良好的实用性、可靠性和可扩展性，达到了设计目的。本文作者的创新点在于采用单片机作为控制器、通过无线收发器对普通家用电器进行远程控制，界面友好、适用性强、便于实现。参考文献：[1]余为清