基于無線遙控的網(wǎng)絡(luò)時鐘設(shè)計*

劉兆亮 , 黃盼璐 , 羅春瀟

(湖州職業(yè)技術(shù)學院 機電工程分院, 浙江 湖州 313000)

時鐘的應用遍及每一個角落，現(xiàn)階段家庭廣泛應用的時鐘大多只具有時間、日歷顯示功能，無法具有溫濕度顯示、時間同步、無線控制等功能。由于數(shù)字時鐘采用石英晶體起振，各晶振間存在的誤差導致了時間差的累積，所以即使同樣的數(shù)字時鐘，經(jīng)過一段時間后顯示的時間也不相同。

本設(shè)計的研究重點是無線網(wǎng)絡(luò)在數(shù)字時鐘中的具體應用。通過時鐘間的無線通訊可以對家庭或辦公室所在的任何一個時鐘進行時間、日期、溫濕度顯示等校正，還可進行無線控制來進行鬧鐘設(shè)定、語音報時等功能，甚至可以進行溫度異常報警。

1 國內(nèi)外時鐘研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段國內(nèi)外對于時鐘的研究主要表現(xiàn)在個性、便捷等功能上。時鐘產(chǎn)品多以這幾類為主：指針式時鐘、數(shù)碼管顯示時鐘、點陣時鐘，液晶顯示時鐘。由于現(xiàn)在的時鐘多采用電子線路，因此在時間的精確度上有很大的提高，并且隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，無論是時鐘的外型還是內(nèi)部線路都有很大的改進。

有一種新型時鐘能產(chǎn)生多點信號，它是在時鐘上加裝集成電路為基礎(chǔ)的中央控制電路，再分別與鍵盤控制器、語音錄放器和液晶顯示器聯(lián)接組裝而成，是一種新穎的多段提醒點智能鬧鐘，使用者可以多次設(shè)定響鬧時間，并提前錄好該時間要做的事，到指點時間就會分別按時用語音提醒并在液晶顯示器上作出明顯指示。

還有一種新型時鐘，它的作用是“在最佳被喚醒的時候”叫醒使用者，也就是最淺睡眠狀態(tài)下叫醒。與鬧鐘配套的有個類似護腕的傳感器，使用者只需將其佩戴在手腕處便能監(jiān)測使用者的身體活動狀態(tài)，還可以通過測試使用者在睡眠時有多少次翻身來判定熟睡程度，最后傳感器將信息通過無線方式發(fā)送給鬧鐘，由鬧鐘來計算出叫醒使用者的最佳時間。微軟也推出了一種智能鬧鐘，這種智能時鐘可以接入互連網(wǎng)獲取信息。臺灣推出了一種可投影的多功能電子時鐘，它可以將時間和溫度信息通過投影的方式來顯示，造型非常獨特。利用這些智能時鐘將使大家能夠在將來更方便，更及時地獲得個人信息。

2 本系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)時鐘系統(tǒng)主要由一個主機和若干從機構(gòu)成，主機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主機的時間、日期、鬧鐘等信息通過紅外遙控模塊進行設(shè)定，此外主機還包括液晶顯示模塊、語音模塊、報警模塊、無線通訊模塊等。從機結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，從機主要由液晶顯示模塊、語音模塊、異常報警模塊、無線通訊模塊和溫度傳感器模塊等。從機無法進行時間設(shè)定、鬧鐘設(shè)定等，主機和從機通過無線通訊模塊SM31進行通訊，從機的參數(shù)設(shè)定可以通過主機進行，并通過無線網(wǎng)絡(luò)進行控制。

圖1 主機結(jié)構(gòu)框圖

圖2 從機結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件電路設(shè)計

本設(shè)計采用了多個功能模塊，如：控制模塊、顯示模塊、時鐘模塊、溫濕度模塊、無線通訊模塊、紅外控制模塊、語音模塊等。

3.1 控制模塊

系統(tǒng)的控制模塊主芯片采用了美國ATMEL公司的8位低功耗單片機Atmega8，該單片機是基于增強型的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，由于其先進的指令集及單時鐘指令執(zhí)行時間，Atmega8的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，這極大的提高了系統(tǒng)的運行效率，增強了系統(tǒng)的實時性[1]。

3.2 顯示模塊

顯示模塊采用的是128×64液晶顯示屏，它具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級，二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64。

顯示模塊在顯示內(nèi)容上有時間、日期、溫度、濕度等內(nèi)容。顯示模塊與單片機通過串行模式進行數(shù)據(jù)傳輸。采用動態(tài)的顯示方式，實時顯示傳感器中的數(shù)據(jù)。

3.3 時鐘模塊

由美國DALLAS公司推出的具有涓細電流充電能力的低功耗實時時鐘芯片DS1302是時鐘模塊的主要組成部分。該芯片可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償?shù)榷喾N功能[2]。

控制器傳送控制命令給時鐘模塊，待時鐘模塊準備好后控制器將發(fā)送一串數(shù)據(jù)到時鐘模塊，這些數(shù)據(jù)就是當前的時間數(shù)據(jù)?？刂破鹘Y(jié)束了對時鐘模塊的發(fā)送數(shù)據(jù)命令后將會在規(guī)律的時間內(nèi)讀取時鐘模塊發(fā)送來的時間數(shù)據(jù)。

3.4 溫濕度模塊

溫濕度模塊采用的是瑞士Sensirion公司的SHT11溫濕度傳感器。該芯片具有I2C總線接口的單片全校準數(shù)字式相對濕度和溫度傳感器。該傳感器采用獨特的CMOSens TM技術(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標定、免外圍電路及全互換的特點。傳統(tǒng)的模擬式濕度傳感器一般都要設(shè)計信號調(diào)理電路并需要經(jīng)過復雜的校準和標定過程，因此測量精度難以保證，且在線性度、重復性、互換性、一致性等方面往往不盡人意。SHT11是基于CMOSensTM技術(shù)的新型溫濕度傳感器。該傳感器將CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來，從而發(fā)揮出它們強大的優(yōu)勢互補作用[3]。

3.5 無線通訊模塊

無線通訊模塊采用的是SM311無線模塊。SM31型微功率無線數(shù)傳模塊采用Chipcon公司 高接收靈敏度無線集成芯片CC1020 RF芯片，Atmel 公司的微功耗，低噪音，高速8位單片機，也內(nèi)置多種高糾錯信道編碼通信技術(shù)，用戶使用時，無需任何編碼，具有更高的抗干擾性強，通信穩(wěn)定的特點。

在本設(shè)計中有多個時鐘終端，它們相互之間都是通過無線模塊進行通訊。通過軟件方式可以將多個無線模塊中的一個設(shè)置為主機，其它的都設(shè)置為從機。主機將標準的時間，日歷等數(shù)據(jù)點對點的發(fā)送到各個從機，以達到實時刷新數(shù)據(jù)的目的。

3.6 紅外控制模塊

紅外控制模塊是由紅外發(fā)射器與紅外接收器組成。紅外控制模塊在設(shè)計中所起的作用是輸入和在線修改時間、鬧鐘的數(shù)據(jù)?？稍诰€開啟觀看鬧鐘時間，可開啟和關(guān)閉時鐘報時功能，可關(guān)閉鬧鐘等功能。

3.7 語音模塊

本設(shè)計具有貪睡功能。勞累了一天的人們在迷迷糊糊醒來的時候，想知道現(xiàn)在的時間和溫度等信息，但卻不愿意睜開自己的睡眼去看，怎么辦呢？本設(shè)計中的數(shù)字時鐘可以通過觸摸發(fā)出聲音來告訴人們這些信息，并播放柔和悅耳的音樂，或者一些有趣的話，這樣可展現(xiàn)給人們更多的人性化。可以達到這些功能就要歸功與語音模塊。通過紅外控制模塊開啟和關(guān)閉語音模塊。

4 軟件設(shè)計

本設(shè)計運用SM31無線模塊組建一個無線時鐘網(wǎng)絡(luò)，通過無線網(wǎng)絡(luò)通訊方式對各個時鐘終端進行通訊。通過主控時鐘與若干時鐘終端的無線通信，可以實現(xiàn)對所有的時鐘終端進行時間、日期上的校準，并通過顯示器進行顯示。也能設(shè)置所有的時鐘進行精確的語音報時。通過通訊可以把某個終端的室外溫度、濕度傳輸?shù)剿械臅r鐘終端進行顯示，并根據(jù)要求可以語音播放。通過紅外線遙控器的控制，可以使語音播放功能關(guān)閉和開啟。

本設(shè)計中主控時鐘的主控制器采用低功耗的AVR Mega8單片機,它是主控時鐘系統(tǒng)的核心。將時鐘芯片DS1302和瑞士Sensirion公司的溫濕度傳感器SHT11相連，將這些數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏上。利用SM31通訊模塊發(fā)送標準的時間數(shù)據(jù)到各個時鐘終端。通過紅外線遙控器的控制，可以使語音播放功能關(guān)閉和開啟。主控時鐘的軟件控制程序流程圖如圖3所示。

5 系統(tǒng)應用

本設(shè)計中時鐘終端控制器采用的是低功耗的AVR Mega8單片機，每個時鐘終端都連有時鐘芯片、溫濕度芯片，主控制器在采集到信號經(jīng)處理后顯示在顯示模塊上。同時通過SM311無線通訊模塊，按時接收主控時鐘發(fā)送過來的精確時間數(shù)據(jù)，以達到實時校準時間的目的。

參考文獻：

[1] 耿德根，宋建國，馬 潮,等.AVR高速嵌入式單片機原理及應用[M].北京: 北京航空航天大學出版社，2001:2.

[2] 姚德法，張洪林.串行時鐘芯片DS1302的原理與使用[J].信息技術(shù)與信息化，2006(1):92-94.

[3] 吳玉康，鄧世建，袁剛強,等.SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器的應用[J].工礦自動化，2010(4):99-101.