基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭照明系統(tǒng)研制

曲鵬超 陳超 張秀娟

摘要：該文主要介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的家庭照明系統(tǒng)的研制，采用Nordic公司的無線射頻芯片nRF24LE1芯片（內(nèi)置8051處理器核）作為物聯(lián)網(wǎng)的硬件實(shí)體,將家庭里的電燈組合成一個(gè)系統(tǒng)，采用密碼算法進(jìn)行相互通信，主控制器采用ARM處理器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體控制，同時(shí)內(nèi)置GSM通信模塊SIM300C，使得用戶也可以通過手機(jī)短信的方式隨時(shí)隨地了解系統(tǒng)整體情況，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制；在軟件方面，我們使用自定義的協(xié)議實(shí)現(xiàn)主控制器與終端設(shè)備的通信；另外，我們使用密碼表方法實(shí)現(xiàn)了不同系統(tǒng)的隔離。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；家庭照明系統(tǒng)；Nrf24le1；ARM；SIM300C

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)01-0186-03

Family Lighting System Development Based on Internet of Things

QU Peng-chao,CHEN Chao，ZHANG Xiu-juan

( Information Engineering College, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China)

Abstract:This paper mainly introduces a family lighting system development based on Internet of Things. By using Internet of Things technology and wireless communication technology, we connect all the lights inside a family into a network through a unified management of the master controller. For wireless communications, we adopt radio frequency chip of Nordic companys NRF24L01 and NRF24LE1(built-in 8051 processor core). The master controller adopts ARM processor LPC2368 to overall control the system. The master controller has internal GSM communication module-SIM300C, so users can also send control messages to the main controller through SMS, the main controller will analyze the messages and then send control commands to terminal equipments. In software communication aspect, we use user-defined protocol to realize the communication between the master controller and terminal equipments. In addition, to assure reli? able and stable communication, we also design a cryptographic algorithm and state machine thought.

Key words: internet of things; family lighting system; NRF24LE1; ARM; SIM300C

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們?cè)絹碓街匾暽钇焚|(zhì)，不知不覺中我們進(jìn)入了電子時(shí)代，科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新以及計(jì)算機(jī)科學(xué)與電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的高科技電子產(chǎn)品涌入人們的日常生活當(dāng)中，為人們帶來更便捷更享受的生活體驗(yàn)。本文介紹了一種新興技術(shù)——物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]，以及它在家庭照明系統(tǒng)研制中的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過各種傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)采用無線射頻芯片，ARM處理器[2-7]及GSM通信模塊，將家庭里的所有電燈連接在一起，進(jìn)行統(tǒng)一的控制和管理，用戶通過一個(gè)控制器既可以通過按鍵的形式控制所有電燈，也可以通過手機(jī)短信的方式[8]隨時(shí)隨地對(duì)電燈進(jìn)行控制或者了解電燈的情況，在通信方面，我們采用自定義的協(xié)議以及密碼算法，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的隔離，使得通信更加穩(wěn)定，安全。由于采用無線通信方式進(jìn)行連接，比傳統(tǒng)的物理線路連接更節(jié)省空間，實(shí)現(xiàn)的功能更強(qiáng)大，所以是家庭裝飾中的最佳選擇。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分為主控制器模塊、無線通信模塊、軟件設(shè)計(jì)三部分。

主控制器模塊作為系統(tǒng)的心臟，也是各節(jié)點(diǎn)之間的通信樞紐，通過它對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制信號(hào)，也可以接收節(jié)點(diǎn)發(fā)過來的控制信息，用戶對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的操作都直接或間接的通過它來完成。比如，用戶可以直接操作主控制器的按鍵來對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制信號(hào)，也可以通過手機(jī)短信的方式將命令發(fā)送給主控制器，經(jīng)過主控制器識(shí)別分析，然后對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制信號(hào)。

無線通信模塊是指安裝在每個(gè)節(jié)點(diǎn)之上的無線通信設(shè)備，它能識(shí)別分析主控制器發(fā)來的命令，然后通過繼電器來控制節(jié)點(diǎn)設(shè)備的工作，或者向主控制器發(fā)送當(dāng)前節(jié)點(diǎn)設(shè)備的工作狀態(tài)。如圖一系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)：

軟件設(shè)計(jì)部分主要是指主控制器如何和各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通信的，介紹了通信協(xié)議的格式以及密碼算法。另外介紹了一種狀態(tài)樹的方法簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)了用戶手機(jī)和主控制器的通信。

2主控制器模塊設(shè)計(jì)

主控制器采用ARM處理器LPC2368芯片,此芯片具有豐富的外圍接口，性能可靠穩(wěn)定，功耗低，具有高達(dá)512KB的片內(nèi)Flash和32KB的片內(nèi)SRAM，同時(shí)它具有以太網(wǎng)接口，方便以后設(shè)備的升級(jí)。短信通信模塊選用的芯片是SIM300C，內(nèi)部集成了GSM和GPRS模塊，可以發(fā)送短線，也可以連接到Internet。圖二和圖三分別介紹了SIM300C和SIM卡的硬件原理圖。

主控制器內(nèi)無線通信模塊選用的是NRF24L01芯片，NRF24L01可以工作在2.4GHZ到2.5GHZ頻段,功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9mA;接收時(shí)，工作電流只有12.3mA,多種低功耗模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。主要用它來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的處理工作完全由主芯片來完成。圖四介紹了NRF24L01的硬件原理圖。

3無線通信模塊設(shè)計(jì)

無線通信模塊使用的是NRF24LE1芯片，此芯片采用了Nordic最新的無線和超低功耗技術(shù)，在一個(gè)極小封裝中集成了包括

2.4GHZ無線傳輸，增強(qiáng)型51 Flash高速單片機(jī)，是一個(gè)綜合了性能及成本的完美結(jié)合，適合于各種2.4G的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。由于其內(nèi)部集成了51核，具有處理數(shù)據(jù)的能力，我們無需再外接其他的處理器，用一個(gè)芯片就能滿足系統(tǒng)的需求。圖五介紹了NRF24LE1的硬件原理圖。

圖5 NRF24LE1硬件原理圖

繼電器使用的是磁保持繼電器，常開常閉狀態(tài)完全是依賴永久磁鋼的作用，靠的是一定寬度的脈沖電信號(hào)觸發(fā)而完成的，功耗幾乎為0，目前磁保持繼電器觸電轉(zhuǎn)換電流最大可達(dá)150A，控制線圈電壓為DC9V,DC12V等，電器壽命10000次，機(jī)械壽命1000000次，具有省電、性能穩(wěn)定、體積小承載能力大、比一般電磁繼電器性能優(yōu)越的特點(diǎn)。圖六介紹了繼電器的硬件原理圖。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如果把硬件電路比喻成人的身體，那么軟件就是人的靈魂，當(dāng)硬件電路設(shè)計(jì)好了之后，我們必須設(shè)計(jì)一套嚴(yán)密的軟件方案，而本系統(tǒng)最主要的功能就是通信，我們必須規(guī)定一個(gè)數(shù)據(jù)通信包的格式，下面將介紹我們的數(shù)據(jù)包的格式,以及數(shù)據(jù)包各段所起的作用。通信格式見表1。

地址段：此字段用來標(biāo)識(shí)每一個(gè)終端設(shè)備，本系統(tǒng)發(fā)送廣播包，每一個(gè)終端設(shè)備都會(huì)收到數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備都會(huì)有一個(gè)獨(dú)一無二的地址，所以只有地址字段相符的設(shè)備才會(huì)做出響應(yīng)。

命令段：命令碼是用來告訴終端要做出何種響應(yīng)，比如是要關(guān)燈或者開燈還是發(fā)送狀態(tài)信息。

密碼索引段和密碼段：為了防止不同系統(tǒng)之間相互干擾，我們給每個(gè)系統(tǒng)分配一個(gè)密碼表，如果密碼校正錯(cuò)誤，那么終端設(shè)備將會(huì)丟棄包。密碼表見表2。

5結(jié)束語(yǔ)

以上我們介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)之間是通過無線通信方式連接的，采用的是ARM處理器以及無線通信模塊，我們下一步的工作就是實(shí)現(xiàn)與Internet網(wǎng)的連接。

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