基于Coaex-M3的智能家居電能控制系統設計

　　近年來，物聯網技術發展迅速，全社會的信息化水平不斷提升。智能家居是物聯網的主要應用之一，已成為當前的熱門研究領域，也是未來家居生活的發展方向 .它能夠為用戶提供舒適、便利的生活環境。但由于市場上的相關產品大多價格昂貴，普及率依然較低。以往的探索與開發往往停留在對電器設備本身的改造上，這種嘗試使智能家居產品一度成為奢侈品。本文介紹了一種電能控制系統，作為智能家居的重要組成部分，它在不改動原有電器設備的基礎上實現了遠程自動控制功能。

　　1 系統結構

　　該電能控制系統由遙控器和插座節點組成，其工作原理如圖1所示。當用戶在家時，通過遙控器以射頻方式對插座進行控制。插座節點收到信號后，由微控制器進行解碼，并根據得出的結果，對特定編號的插座做通斷電處理，從而使與其連接的用電器被啟動或者關閉。當用戶離住所較遠時，可通過GSM網絡向遙控器發送手機短信 ,微控制器讀取信息后，通過射頻芯片，將信息傳遞到室內的無線網絡中，進而使相應地址上的插座受到控制。由此可見，遙控器在整個智能家居系統中屬于網關節點 ,一方面，它與插座節點組成了室內射頻局域網，另一方面，它又與GSM網絡相連，延展了遙控距離。遙控器的內部結構如圖2所示，包括溫濕度檢測電路、時鐘模塊、nRF905射頻收發模塊、GSM模塊等功能電路，這些模塊均與控制核心LM3S811相連。該微控制器采用ARM Coaex-M3架構，由于依托高密度的Thumb-2指令集，內存開銷大大降低，操作系統的移植也更加方便。

　　圖1 遙控插座工作原理

　　圖2 遙控器結構框圖

　　插座節點主要實現與遙控器的射頻通信以及繼電器的通斷控制，其結構框圖如圖3所示。插座中的煙霧傳感器用于預防火災危險。一旦檢測到煙霧或可燃性氣體，插座上對應的繼電器將斷開，并通過射頻收發模塊向遙控器匯報，遙控器收到信息后，再通過GSM模塊的短信功能及時提醒用戶采取相應的措施，防止危險的發生或財產損失的進一步擴大。由于插座端工作量較少，從成本和性能兩方面考慮，本系統采用STC12C5620AD微控制器作為插座端的主控芯片。

　　圖3 插座節點結構框圖

　　2 硬件電路設計

　　2.1 溫濕度檢測電路

　　本系統采用溫度傳感器LM35和濕度測量模塊CHM-02進行環境監測。LM35的電壓輸出與攝氏溫度呈線性關系，無需校準就可在常溫環境下達±l/4℃的測量精度。CHM-02模塊可在0~70 ℃的溫度下對20~95%RH范圍內的濕度進行檢測，室溫下的測量精度為5%RH.溫濕度傳感器與MCU的接口示意圖如圖4所示。由于兩種傳感器輸出的模擬信號在MCU片內A/D采樣電路的檢測范圍內，所以直接將兩者的輸出端與MCU的兩個ADC引腳連接。模擬式傳感器的使用不但充分利用了控制器的片上資源，而且提高了子程序的利用率。

　　圖4 溫濕度傳感器與MCU的接口示意圖

　　2.2 煙霧檢測電路

　　煙霧傳感器MQ一2基于SnO:的電化學特性，對可燃性氣體及煙塵有良好的檢測靈敏度。煙霧檢測電路原理圖如圖5所示。MQ.2在正常工作前需要對內部加熱絲的H.h兩極通電預熱 ,為了防止加熱電流過大而導致內部信號線溫度過高，此處將加熱絲與100 Q電阻串聯。當環境中的煙霧或可燃氣體超過警戒閾值時，傳感器A.B兩極間的電導率迅速增加，與其串聯的負載電阻m所獲得的電壓也相應增加，該電壓信號經低功耗運放TLC27M2放大后，得到與煙霧或可燃氣濃度相對應的模擬量輸出，最終接人控制器的ADC模塊進行量化。

　　圖5 煙霧檢測電路原理圖

　　2.3 時鐘模塊

　　時鐘模塊除了顯示系統時間以外，還可對單個插座進行通斷電定時。時鐘電路原理圖如圖6所示，DS1302通過串行方式與MCU通信，為保證信號傳輸的穩定性，接口已做上拉處理。芯片采用雙電源供電，主電源正常工作時可以對備用電源進行涓細電流充電;在掉電情況下啟動備用電源，避免因突然停電而造成時鐘停滯 .考慮到使用的便捷性，遙控器由鋰電池供電。DS1302的主電源引腳VCC2連接到集成穩壓器的3.3 V輸出，而備用電源引腳VCC1與4700 μF的電容串接，兩個電源引腳之間通過二極管隔離。由于芯片耗電量很低，在更換電池的過程中，電容的放電作用可以暫時維持芯片運行。

　　圖6 時鐘電路原理圖

　　2.4 射頻收發模塊nRF905

　　射頻收發模塊是連接插座與遙控器的橋梁。nRF905集成收發器能在3個ISM頻段配置使用，且功耗很低。本系統中的所有節點均設置在433 MHz頻段工作嘲，射頻收發電路原理圖如圖7所示，其中的SMA接口用來連接特性阻抗為5O Ω的單端天線，有利于信號的全向輻射。單端天線又被稱為非平衡天線，其主要參考點為信號地，而nRF905的天線接口(引腳ANT1和ANT2)為差分射頻輸出端口。為了維持信號平衡，保證兩個端口的阻抗匹配，此處在兩者之間增加了balun(平衡月乍平衡)電路，對芯片輸出端的特性進行調節。

　　圖7 射頻收發電路

　　2.5 GSM通信模塊

　　將短距射頻網絡與GSM技術相結合，既發揮了短距射頻網絡配置靈活的特點，又發揮了GSM技術在通信距離上的優勢。GSM通信電路的核心是SIM300模塊，其外圍電路如圖8所示。