1、用于智能家居智能控制设备调试的协议转换器的设计摘要：随着智能家居行业的蓬勃发展，智能触摸开关已成为目前家居产品非常流行的配套装饰性开关。它是一种应用触摸感应芯片原理设计的墙壁开关，是传统机械按键式墙壁开关的换代产品，具有能实现更智能化、操作更方便等传统开关不可比拟的优势。为方便智能开关的功能调试与性能测试，需要将智能触摸开关等智能控制设备纳入统一的测试平台进行测试。本文主要介绍了一个基于STC11F04E 单片机的协议转换器设计方案,实现 485 格式数据与无线数据的相互转换，并对各种无线控制设备进行调试。用该方案设计的协议转换器，已经在实际中应用并达到了预期目的并投入生产。关键词：智能家居
2、智能触摸开关 单片机 协议转换器1 引言1.1智能家居的概念智能家居又称智能住宅，在国外常用 Smart Home 表示。与智能家居含义近似的有家庭自动化（Home Automation） 、电子家庭（Electronic Home、E-home） 、数字家园（Digital Family） 、家庭网络（Home Net/Networks for Home） 、网络家居（Network Home） 、智能家庭/建筑（Intelligent Home/Building） ，在中国香港和台湾等地区，还有数码家庭、数码家居等称法。 “智能家居作为最近几年内新起的个时尚的科技词汇，现在经常可以在网络、
3、电视、报刊杂志等新闻媒体报道中看到。“智能家居“就是将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安防装置等连接到一个家庭智能化系统上进行集中或者异地的监视、控制的一套系统。普通家居相比，智能家居使家具由原来被动静止的结构转变为具有能动智能的工具，除了提供全方位的信息交换功能，还能帮助家庭与外部保持信息交流畅通。智能家居强调人的主观能动性，重视人与居住环境的协调，能够随心所欲地控制室内居住环境。可以想象这样的生活：用一个遥控器(或是发出语音指令)，就能对家中的家电、照明、窗帘、浴缸、报警求助装置进行智能控制：按一下手机或者计算机的键盘，空调会为你调制最佳温度，洗衣机会洗涤你留下的衣物，冰箱会
4、通过网络到超市要求进货；外出时，家中家电监控系统就可以在确认家中无人后，自动关闭您忘了关闭的各种应该关闭的电器、电灯1.2 智能家居的起源和发展现状智能家居概念的起源甚旱，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年才出现了首栋的“智能型建筑”，从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。当时这座建筑采用计算机系统对大楼的空调、电梯、照明设备等进行了监测和控制，并提供语音通信、电子邮件和情报资料等方面的信息服务，即所谓的住宅电子化。80年代中末期，形成了家用电器、通信设备和安全防范设备相结合的住宅的自动化。九十年代初，随着通信与信息技术的发展，出现了通过总线技术对住宅中各种通信、家电、安防设备进
5、行监控和管理的商用系统，也就是现在智能家居的原型。目前，美国有全球最大的智能化住宅群，其占地3359公顷，由约8000栋小别墅组成。而欧洲、日本、新加坡和韩国等地，智能家居的建设也日渐兴起。近几年来，智能家居产业的市场每年都以20的速度增长。到2010年，全球50以上的新建房将具有一定的智能家居功能。中国的智能家居发展始于上世纪末，虽然是刚刚起步，但经过近几年的发展，无论专业厂商还是代理商、工程商的数量都在大大增加。智能家居产品正成为一种家居潮流产2品不断涌入市场，虽然形态各异，但其内容都离不开智能电器控制和安防管理。现在中国的房地产业发展迅速，因此中国的智能家居市场潜力巨大，作为其下游产业，
6、智能家居市场前景非常看好。目前，涉及智能家居产品生产与销售的企业在全国已超过一千家，大部分集中在上海、北京、深圳等地，如上海复瑞华、深圳康帕斯、松本智能等。2002年以来，来自IT、家电业以及电工行业的多家知名企业都开始迸军这一领域，海尔、清华同方、奇胜、TCL等都有了自己的智能家居产品。1.3 智能触摸开关简介国内现有的智能家居系统中，主要包括门禁系统、对讲系统、安防系统、照明系统、家电控制系统等。而照明系统，窗帘控制，空调、电视等家电控制的实现是依靠一套新一代的智能开关来实现的。触摸开关，是科技发展进步的一种新兴产品。他一般是指应用触摸感应芯片原理设计的一种墙壁开关，是传统机械按键式墙壁开
7、关的换代产品。能实现更智能化、操作更方便的触摸开关有传统开关不可比拟的优势，是目前家居产品的非常流行的一种装饰性开关。触摸墙壁开关是电子取代机械的又一成功应用。触摸开关没有金属触点，不放电不打火，大量的节约铜合金 材料，同时对于机械结构的要求大大减少。它直接取代传统开关，操作舒适、手感极佳、控制精准且没有机械磨损。同时，触摸开关更有人性化的关怀，可以自己选择开关上的文字提示，个性化的文字标签呈现出液晶显示的效果，水晶面板发出淡淡的微光，让深夜不再是完全的漆黑，足以让人形成方位和轮廓感。1.4 触 摸 开 关 的 功 能 特 点(1)电容式触摸操作，可手动或远程控制。(2)采用零火或单火接线方式
8、，可代替源机械开关。(3)无线采用 FSK 调制方式 ，开关可接受或发送无线数据。(4)水晶玻璃面板，蓝色背光指示开关状态或夜灯指示。(5)具有断电记忆保护功能，所有设置可以永久保存。(6)可与配套遥控器及其他无线家居控制设备组合。1.5 设 计 任 务设计一个协议转换器：(1)具有电源、状态、设置指示灯；(2)采用 485、无线双向通讯；(3)协议转换器可进行地址设置；(4)可与配套的无线家居控制设备配套使用，并对设备进行功能测试。2 系 统 实 现 原 理 及 硬 件 设 计2.1 系 统 实 现 原 理将电脑通过 232 转 485 接口与协议转换器连接，协议转换器与智能开关等设备通过无
9、线传输数据。打开串口调试助手，发送控制命令和数据，就可以通过协议转换器与智能开关等设备进行通讯，并对其进行功能测试。整个系统连接如下所示：电脑2 3 2 转 4 8 5协议转换器无线传输智能开关等设备图 2.1 系统连接图2.2 系 统 硬 件 设 计32.2.1 单片机最小系统及引脚分配单片机最小系统板及各引脚分配如下图所示：控制芯片采用 STC11F04。STC11 系列单片机是宏晶科技设计生产的单时钟周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051,但速度快 8-12 倍。内部集成高可靠复位电路,针对高速通信，智能控制，强干扰场合
10、。STC11 系列单片机的定时器0/定时器 1/串行口与传统 8051 兼容,增加了独立波特率发生器,省去了定时器 2.传统8051 的 111 条指令执行速度全面提速,最快的指令快 24 倍,最慢的指令快 3 倍。2.2.2 与电脑的连接为了增加系统的扩展能力和传输距离，协议转换器通过 485 总线接口与电脑连接。RS485 采用差分信号负逻辑，2V6V 表示“1” ，- 6V- 2V 表示“0” 。RS485 有两线制和四线制两种接线，四线制是全双工通讯方式，两线制是半双工通讯方式。图 2.2是 485 总线接口示意图。图 2.2 485总线接口示意图2.2.3 与智能开关等设备通讯由于智
11、能开关与遥控器等智能家居控制设备都具有无线通讯功能，因而要求协议转换器能实现将 485 数据转成 FSK 无线数据，以及把 FSK 无线数据转成 485 数据。协议转换器与开关等控制设备的通讯，采用的是 A7102 无线模块，它是工作于 433MHZ ISM 频段的 FSK 射频双向 CMOS 工艺的单片射频集成电路。A7102 模块具有以下特点：(1)433MHZ 开放 ISM 频段免许可使用；(2)最高工作频率 150Kb/s,高效 FSK 调制，抗干扰能力强，特别适用于工业控制场合；(3)可软件设置频率、地址，适合跳频多点通讯应用场合；(4)2.2-3.6V 工作，休眠状态仅为 2uA，
12、可满足低功耗的要求；(5)收发模式切换时间小于 650us;(6)具有 SPI 编程接口，收发数据长度最高可达 64 字节。其电路图如下所示：2.2.4 电源、状态与设置指示灯协议转换器的电源指示灯上电即亮，状态指示灯在开关等智能家居控制设备状态改变时闪烁，设置指示灯在功能设置成功时闪烁。REDERXDINT0TXDABMAX485 单 片 机RS-485总 线4硬件电路图如下：图 2.4指示灯电路图2.2.5 协议转换器的记忆功能协议转换器具有具 有 断 电 记 忆 保 护 功 能 ， 可 以 记 忆 智 能 开 关 等 家 具 设 备 的 无 线地 址 。 这 一 功 能 采 用 24C0
13、2 芯 片 完 成 ， 通 过 把 数 据 写 入 24C02， 保 证 上 电 后 数 据不 丢 失 。24C02 的 电 路 图 如 下 所 示 ：图 2.5 24C02 的 电 路 图2.2.6 其他硬件设置电源：由于对电源稳定性要求较高，并且对协议转换器的移动性要求不高，故采用手头剩余的外购开关电源模块外部供电；协议转换器地址设置：协议转换器的地址需要手动设置，因此考虑用拨码开关，但考虑到产品批量生产的成本问题，最终决定用插针和跳冒来代替拨码开关进行地址设置。另外，考虑到今后可能系统功能需要完善，所以多留出四位地址备用。3 系统软件设计3.1协议转换器地址码的设计5地址码是由地址设置开
14、关的BCD码设置。码由Addr2的高4位和低4位共8位组成，Addr1暂时保留不用。BCD码的位 H8 H4 H2 H1 L8 L4 L2 L1短路代表值 8 4 2 1 8 4 2 1开路代表值 0 0 0 0 0 0 0 0低地址码=L1的值+L2的值+L3的值+L4的值高地址码=L5的值+L6的值+L7的值+L8的值3.2 485数据与FSK数据相互转换的协议格式：同步头控制类型 转发器地址 1转发器地址 2无线地址 1无线地址 2设备号数据类型数据 1 数据 2 数据 3 校验码0XFF 0X680X06/0x070Xee 0Xee 键值 命令 状态 0XAA说明：(1)同步头（0xF
15、F 0x68） 、(2)控制类型：0X06控制设备发的码；0X07-被控设备的回码；(3)转发器地址：指协议转发器设置的地址，485 数据发出的这两个字节必须与协议转发器上插针设置的地址一样才转发！ 无线地址：固定为 0Xee.(4)设备号：协议转发器接收到发送无线数据的设备的编号：设备编号 设备名称101 简易遥控器102 多功能遥控器103 灯光开关104 调光开关105 窗帘开关106 红外转发器107 电话转发器108 无线信号转发器109 IP 室内机110 场景开关181 红外探测器182 指纹门禁(5)校验码：固定为 0XAA(6)数据类型及数据 1-数据 3 说明数据类型 数据
16、 1 数据 2 数据 3 说明0x01 0x01 灯光开灯光、插座控制 0x 01键值 1-2550x02 0x00 灯光关0x2b 调光-调亮0x2d 调光-调暗0X20 调光灯开调光控制 0x 03键值 1-255 0x030X30 调光灯管场景控制0x 04键值 1-255 0x04 场景号 场景控制0x11 0x01 空调电源开空调控制0x 05键值 1-2550x12 0x00 空调电源关60x2b 空调温度调节+0x130x2d 空调温度调节-0x18 温度值（16-30） 固定发送的温度数据0x21 0x01 窗帘控制开0x22 0x00 窗帘控制停止0x23 0x01 窗帘控制
17、正转窗帘控制0x 06键值 1-2550x24 0x00 窗帘控制反转0x31 0x01 电视开0x32 0x00 电视关0x2b 电视音量调节+0x330x2d 电视音量调节-0x2b 电视频道调节+电视控制 0x 07键值 1-2550x340x2d 电视频道调节-键值：其值的范围为 1-255，用以区分对不同灯光的控制；3.3 A7102工作流程A7102 有两种工作模式，FIFO mode 和 Direct mode.通过 Mode control 寄存器的FMS 位可以设置。协议转换器用的是 FIFO 模式，FSM 位设置为.在此模式下，A7102自动处理字头和 CRC 校验。在接收
18、数据时，自动把字头和 CRC 校验移去。在发送数据时，自动加上字头和 CRC 校验。当发送过程完成后，IRQ 引脚通知单片机数据发送完毕。单片机收发 485 数据，利用的是串口中断：void SerialInterrupt(void)interrupt 4 if(RI) if(ReceiveStartFlag) ReceiveBuffValidByte=SBUF; /从 SBUF 中读出数据 ValidByte+;if(ValidByte10) ReceiveFinishedFlag=1; ReceiveStartFlag=0; ValidByte=0; else if(SBUF=0x68)
19、ReceiveStartFlag=1;ValidByte=0; Led2=0; if(TI) if(ValidByte12) ValidByte=0; 7RS_CON=0; else RS_CON=1; SBUF=SendBuffValidByte; /向 SBUF 写入数据 ValidByte+; RI=0; TI=0; /Led2=0; 单片机收发无线数据，利用定时查询方式：void Time0_Interrupt(void) interrupt 1 if(DelayTime!=0) DelayTime-; if(DelayTime200) NoWirelessDeviceFlag=1;/
20、判断是否有无线模块 DelayTime=0; TH0=ReloadTH0; TL0=ReloadTL0; Flag1Ms=1; /定时器 1 void Timer1(void) interrupt 3 TH1=ReloadTh1; TL1=ReloadTh1; 4.系统测试测试仪器：电脑一台，232-485 接口一个，协议转换器一个，配套遥控器、智能开关若干，家电若干。测试步骤：A将协议转换器通过 232-485 接口与电脑连接；将配套智能开关与家电连接。打开各自电源，协议转换器电源指示灯亮。8B在电脑上打开串口调试助手，波特率设为 2400.C设置配套智能开关遥控器等设备，用串口发送数据，使
21、配套设备学习无线地址。D用串口调试助手控制并测试配套智能开关，并可接受智能开关、遥控器等无线设备的回码。测试功能列表：序号 功能描述 备 注1 与三位智能开关联动开关学习完成后，电脑串口发送对应数据可控制开关的开与关。2 与调光开关联动开关学习成功后，电脑串口发送对应的码可以对调光开关进行控制。3 与窗帘开关联动 开关学习成功后，电脑串口发送对应的码对窗帘开关进行打开、停止、闭合控制开关学习成功后，电脑串口发送对应的码，使红外转发器对电视机的打开、关闭、转换频道、调节声音大小进行控制。4 与红外转发开关联动 开关学习成功后，电脑串口发送对应的码，使红外转发器对空调的打开、关闭、温度加减、设定固
22、定温度进行控制。5 与场景开关联动用电脑串口发送场景码，X5 系列开关学习成功后，再次发送相应的场景码，可进行场景切换。6 可接收所有无线设备发出来的控制码，包括开关系列、遥控器及 IP 室内机5 总结经过测试表明，所设计的协议转换器很好的完成了预定功能，稳定性高，可以成为配套智能开关功能调试和性能测试的有力工具，可以批量生产。而且在协议转换器的设计过程中，预留了地址，以待将来增加新的功能对新型开关进行测试。虽然网络技术不断发展，但为了保证数据传输的可靠性，485 总线仍然发挥着巨大的作用，因此，基于单片机的智能协议转换器在一个较长的时期内仍然可以发挥其作用。但是，为了适应更多的功能需要，采用 TCP/IP 进行上层数据的传输，是一种大的趋势。这其中最关键的技术，应该是提高数据传输过程中的稳定性与可靠性，以及降低数据传输的延迟性问题。
