新型家電組網與遠程控制中心系統設計

陳建明,崔羊威

(華北水利水電大學電力學院,鄭州450045)

新型家電組網與遠程控制中心系統設計

陳建明,崔羊威

(華北水利水電大學電力學院,鄭州450045)

設計了一種新型家電控制系統,該設計采用低功耗單片MSP430F149為控制器,結合nRF24L01無線雙向射頻技術、GPRS短信服務技術、指紋識別技術和38 k Hz無線紅外技術,在不破壞原有裝修和家電機械結構的基礎上,實現了對家電的組網控制和遠程控制。遠程控制采用動態密碼加密的形式,門鎖子系統加入霍爾傳感器,實現了閉環反饋的設計,設計的空調子系統具有自學習功能,極大地增加了系統的通用性,整個系統安全可靠,實用性強。

無線雙向射頻技術;GPRS短信服務技術;MSP430;動態密碼;閉環反饋

引 言

傳統的家電無法遠程控制、隔墻控制、組網控制,且開關位置挪動不方便,而智能家居系統具有安全、快捷、智能化的獨特魅力,對于改善人類的生活質量,創造舒適、安全、便利的生活環境有著非常重要的意義[1],因而具有廣闊的市場前景。目前,智能家居多采用Internet、WiFi或ZigBee組成控制網絡[2]。Internet成本高且要求必須系統上網,受條件限制比較多;WiFi技術安全性低;國內也很少有涉及忘帶鑰匙沒法開門的解決方案。本文設計的新型家電控制方案,采用Nordic公司的nRF24L01無線射頻進行組網,能夠很方便地實現雙向通信。結合GPRS短信功能,采用動態密碼成功地實現了對家電的遠程組網控制,而且解決了忘帶鑰匙的問題。該方案安全性好,通用性強,穩定性高,經濟實用。

1 系統總體方案

系統由控制中心、遙控子系統、門鎖子系統、燈控子系統、空調子系統5個部分構成。系統的總體框圖如圖1所示,可以使用手機給控制中心發送控制命令或動態密碼,控制中心匹配成功后,通過射頻模塊完成對子系統的控制。在室內可以使用遙控子系統給控制中心發送控制命令,匹配成功后即可通過射頻模塊完成對其他子系統的控制。

圖1 系統總體框圖

控制中心和子系統均采用超低功耗單片機MSP430F149作為主控制器,控制中心和子系統通過nRF24L01射頻模塊進行無線通信,手機和控制中心通過GPRS模塊進行數據傳輸,下面是各個模塊的設計原理和工作過程。

2 系統硬件實現

2.1 控制中心硬件設計

控制中心通過GPRS或nRF24L01將接收到的短信命令或遙控子系統命令轉發給其他子系統來完成對家電的控制,控制中心由單片機最小系統、射頻收發模塊、GPRS模塊、液晶顯示等外圍電路構成,控制中心框圖見圖2。

單片機最小系統[3],是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統,由單片機、晶振、復位電路和電源構成。

圖2 控制中心框圖

射頻收發模塊采用的nRF24L01是Nordic公司推出的一款工業級內置硬件鏈路層協議的低成本無線收發器件[4],該器件采用GFSK調制方式,工作頻率為2.4～ 2.5 GHz。該模塊通過4線SPI協議和單片機進行命令和數據交換。

GPRS模塊選用的是TD-3000模塊。TD-3000是一款基于GSM/GPRS網絡的無線數傳終端設備[5],數據緩沖區包括10 KB的發送緩沖區和2 KB的接收緩沖區。GPRS模塊采用TTL串口和單片機實現雙向數據透明傳輸。數據透明傳輸采用原文透傳,控制中心將接收手機的電話號碼、數據內容,以此來實現只有特定的手機號才能遠程控制。

2.2 遙控子系統硬件設計

遙控子系統通過按鍵給控制中心發送命令,由控制中心將控制命令轉發給相應的子系統,完成對空調、電燈的組網控制以及遙控開門。在室內使用遙控子系統,不用再發送短信控制,節約成本。遙控子系統和控制中心采用nRF24L01進行雙向通信,可以將家電的狀態信息顯示在遙控子系統的液晶顯示器上,構成閉環反饋系統,安全實用。射頻雙向通信原理圖如圖3所示。

為了提高系統的安全性和通用性,遙控子系統和控制中心需要進行對碼操作,以避免相互干擾。通過按下對碼鍵,遍歷遙控子系統的按鍵,將按鍵的虛擬地址保存到控制中心主控制器的內部Flash里,完成對碼操作。其他子系統的對碼操作類似,這樣既可以實現多控一,也可以實現一控多,系統拓展非常方便。

圖3 nRF24L01雙向通信原理圖

2.3 門鎖子系統硬件設計

門鎖子系統是基于指紋識別技術和GPRS遠程控制技術的控制裝置,并采用動態密碼加密算法進行開鎖。系統采用霍爾傳感器檢測門鎖的啟閉狀態,構成閉環反饋系統,極大增強了系統的安全性,NJK-5002A系列霍爾傳感器是由電壓調整器、霍爾電壓發生器、差分放大器、施密特觸發器和集電極開路的輸出極組成的磁敏傳感器,其輸入為磁感應強度,輸出是一個數字電壓信號。本設計采用PNP型霍爾傳感器,即檢測到永磁體輸出高電平,檢測距離為10 mm。門鎖子系統結構框圖如圖4所示。

圖4 門鎖子系統框圖

一種方式,可以通過指紋采集,指紋匹配成功即可打開門鎖。指紋識別模塊采用FM-180指紋識別設備,該設備采用光學指紋識別傳感器,由高性能DSP處理器和Flash芯片構成[6],具有指紋圖像處理、模板提取、模板匹配、指紋搜索和模板存儲等功能,采用UART串口和單片機進行雙向通信。

另一種方式,也可以通過門鎖子系統給控制中心發動態密碼,控制中心通過GPRS將動態密碼發給手機,60 s之內,手機將動態密碼發回給控制中心,控制中心匹配成功,通過射頻模塊將命令發給門鎖子系統,完成對門鎖的控制。本次動態密碼只能使用一次,由隨機函數rand()產生6位隨機數存放到data[]數字里,經過加、減處理得到動態密碼[7],動態密碼的隨機種子由srand(t)函數產生。當有人多次開鎖失敗,就會啟動聲光驅離,并短信告知主人有人入侵。

由于單片機的I/O口輸出電流的能力太小,無法直接驅動步進電機,可以利用UDN2916驅動電機正常工作。電機驅動電路如圖5所示,PHA1、PHA2用來控制電流的方向,IO1、IO2、II1、II2用來控制輸出電流的大小。

圖5 電機驅動電路

2.4 燈控子系統硬件設計

在不改變原有機械結構的基礎上,加裝燈控子系統,通過遙控子系統或手機給控制中心發送要控制的電燈命令,控制中心通過射頻模塊將控制命令發給燈控子系統,控制電燈驅動電路的繼電器啟閉,完成對電燈的遠程組網控制。DD2為續流二極管,燈控子系統的驅動電路如圖6所示。由于遙控子系統和手機都可以隨意移動,給我們的生活帶來了極大的便利。

圖6 燈控子系統驅動電路

2.5 空調子系統硬件設計

為了不改變空調的機械結構并實現智能化,設計的空調子系統利用nRF24L01射頻模塊接收控制中心轉發過來的命令,通過紅外發射頭把控制命令發送給空調,使空調按照手機或遙控子系統的要求工作,紅外編碼的格式如圖7所示。

圖7 紅外編碼格式

黑色表示38 k Hz載波[8],紅外編碼的構成為:9 ms載波和4.5 ms低電平為引導碼,8位的地址碼和8位地址反碼,8位的數據碼和數據反碼,1位結束位。其中1是由0.56 ms載波和1.69 ms低電平組成,0是由0.56 ms載波和0.56 ms低電平組成。圖7發送的數據為0x68,紅外發射信號的38 k Hz載波是通過MSP430自身的定時器產生的[9],降低了設計成本。

為了增強系統的通用性,使空調子系統具有自學習功能,增加了紅外接收電路,如圖8所示,只需將空調的按鍵對著空調子系統遍歷一遍,系統經過解碼、編碼,即可完成對空調的控制。

圖8 紅外接收電路

3 軟件設計

系統軟件設計也包括5個部分。控制中心一方面接收手機和遙控子系統發來的命令,進而實現對家電的控制;另一方面接收子系統反饋回來的家電狀態以及信息參數。遙控子系統的功能是在家里實現對家電的無線控制。門鎖子系統、燈控子系統、空調子系統是通過直接或間接的接收射頻遙控器或手機發來的命令,實現對相應家電的啟閉等控制。

控制中心發送射頻信號時,為了選擇性地控制不同的子系統,控制中心和子系統就要定義自己的通信格式,子系統只接收與自己通信格式一樣的數據。自定義通信格式如表1所列。

表1 射頻通信格式

其中幀頭用一個字節來判斷射頻指令開始,這里用*號表示幀頭。幀尾用一個字節來判斷射頻指令發送結束,用#號表示。密碼是2個字節,用來表示控制某一類子系統,可以確保系統的安全性,用LY表示,不同的子系統密碼可以不一樣。子系統用來表示控制哪個子系統工作。狀態用來控制家電的工作狀態,0表示開啟,1表示關閉。有些家電還會有其他的工作狀態,比如空調的模式切換、溫度加減、風速切換以及定時等功能。

圖9 控制中心流程圖

控制中心流程圖如圖9所示,首先是各模塊初始化,等待手機或遙控子系統發來的命令,接收到之后判斷正確與否,不正確繼續等待接收,如果正確,繼續判斷接收到的是射頻命令還是GPRS控制命令。如果是射頻命令,控制中心將接收到的控制命令發送給相應的子系統,完成對子系統的控制;如果接收到的是GPRS讀取參數命令,控制中心將讀取的參數通過GPRS模塊發給手機。

門鎖子系統、燈控子系統和空調子系統工作過程類似,初始化之后,等待接收手機或射頻遙控器發來的控制命令,匹配成功即可完成對家電的控制,門鎖子系統遠程開鎖需要進行2次匹配。

結 語

新型家電控制系統的設計與實現是在不破壞原有家電機械結構的基礎上,采用了雙向射頻技術、動態加密技術和紅外通信技術,實現了對普通家電的智能控制和遠程控制。相比于傳統的智能家電系統,此系統各模塊相互獨立,擴展方便,門鎖子系統遠程控制采用6位動態密碼,空調子系統采用閉環反饋,整個系統經濟適用、安全性更高,也為以后建立出入管理系統,與小區管理系統聯網奠定了基礎。

[1]馬振,宋雅慶,王珂,等.低成本智能家居系統設計[J].自動化儀表,2015,36(3):49-52.

[2]喬季軍,王德宇,李玉琳,等.融合ZigBee與WiFi無線技術智能家居系統的設計[J].自動化儀表,2015,36(12):48-51.

[3]勾慧蘭,劉光超.基于STM32的最小系統及串口通信的實現[J].工業控制計算機,2012(9).

[4]譚暉.n RF無線SoC單片機原理與高級應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

[5]李濤,馬殷元,楊東.基于STM32的GPRS遠程監測終端設計[J].電子世界,2012(11):132-133.

[6]翟慶一.指紋識別模塊Sm61的單片機控制[J].信息技術與信息化,2006(5):113-117.

[7]王勇.隨機函數及其在密碼學中的應用研究[J].信息網絡安全,2012(3).

[8]Chen Long,Zhang Yajun.Design and implementation of infrared wireless data transmission system[J].Proceedings of the 2010 IEEE International Conference on Information and Automation,2010(6):20-23.

[9]陳天水,秦文.基于ATmega128單片機的學習型紅外遙控器設計[J].微型機與應用,2011(30):26-28.

陳建明(教授)),主要從事檢測技術與自動化裝置的研究;崔羊威,主要從事檢測技術與自動化裝置、電子信息工程方面的研究。

Design of New Home Appliances Networking and Remote Control Center System

Chen Jianming,Cui Yangwei
(Electric Engineering College,North China University of Water Resouces and Electric Power,Zhengzhou 450045,China)

In the paper,a new home appliance control system based on MSP430F149 is designed.The wireless two-way radio technology, GPRS SMS technology,fingerprint identification technology and 38 k Hz wireless infrared technology are used.It realizes the home appliances networking and remote control without destroying the basis of the furnishings and appliances mechanical structure.The remote control uses a dynamic password in encrypted form.The Hall sensor is added in the lock subsystem to achieve the closed-loop feedback. The air conditioning subsystem has the self-learning function,which greatly increases the versatility of the system.The whole system is reliable and practical.

wireless two-way radio technology;GPRS SMS technology;MSP430;dynamic password;closed-loop feedback

TP23

:A

薛士然

2016-08-04)