1、Computer Knowledge and Technology 电脑知识 与技术计算机工程应用技术本栏目责任编辑 ：梁 书第 6 卷第 8 期 (2010 年 3 月 )基于 ARM9 和 nRF24LE1 的智能家居系统曾妍1，曾宝国2（四川信息职业技术学院 ，四川 广元 628017）摘要 ：以三星公司的 ARM9（S3C2410）和 Nordic 公司的 nRF24LE1 单片机为核心 ，结合 Internet、GPRS、及传感器技术 ，采用有线与无线相结合的联网方式实现一个中低端家居智能集中控制系统 ，重点分析了整体方案和软硬件设计 。关键词 ：智能家居系统 ；ARM9；nRF24
2、LE1中图分类号 ：TP311 文献标识码 ：A 文章编号 ：1009-3044(2010)08-2033-02Smart Home System Based on ARM9 and nRF24LE1ZENG Yan1, ZENG Bao-guo2(Sichuan Information Technology College, Guangyuan 628017, China)Abstract: With the core of Samsungs ARM9 (S3C2410) and the Nordic companys nRF24LE1 microcontroller, combining
3、with Inter-net, GPRS, and sensor technology, the thesis designs and realizes a low-end Smart Home Control Systems, mainly introduced the overalldesign, the hardware design and the software design of the system.Key words: smart home system; ARM9; nRF24LE11 概述智能家居是现代科技 、建筑与人居理念的完美结合 ，它以住宅为平台 ，利用计算机技术
4、、数字技术 、网络通信技术和综合布线技术 ，将与居家生活有关的家庭安防监控 、公共安防监控 、信息系统 、家庭设备的互连与遥控 、物业管理等有机地联接起来 ，通过中央管理平台进行网络化综合管理和远程控制 ，来创造一个优质 、高效 、舒适 、安全 、便利 、节能 、健康 、环保的居住生活环境空间 。广阔的市场前景为智能家居的发展提供了经济源动力 ，而各种微处理器技术 、嵌入式操作系统技术 、通讯技术的进步则为智能家居的实现提供了必要的技术基础 。 本文以三星公司的 ARM9（S3C2410）和 Nordic 公司的 nRF24LE1 单片机为核心 ，结合 Internet、GPRS 及传感器技术
5、 ，采用有线与无线相结合的联网方式实现一个中低端家居智能集中控制系统 。2 总体方案智能家居系统一般可以划分为内部网 、协调器和外部网三个部分 。 目前关于家庭内部网络有多种解决方案 ，无线组网因具有组网和维护方便 、扩展性好等特点成为今后发展的趋势 。 基于设计技术可行 、系统功能经济适用 、接口开放 、数据库功能强等基本原则 ， 本系统采用如图 1 所示的星型组网方案 ， 由一个协调器 （汇聚节点 ） 和多个室内终端节点组成 。 协调器以三星公司 ARM9（S3C2410）为控制器 ，它具有较强的处理能力 ，能提供较好的数据库支持功能 ；各终端节点以 nRF24LE1 无线单片机为微控制器
6、 ，它采用了 Nordic 最新的无线和超低功耗技术 ，内部集成了增强型 51 内核单片机 、A/D、2.4GHz 无线传输等外设及丰富的接口 ，很适合应用于智能家居系统 ，完成各类传感器采集的温度 、亮度 、湿度等模拟量的采集 、处理和无线传输 。3 硬件设计3.1 协调器的硬件框图协调器是智能家居系统的核心部分 。 对内网 ，它需要完成室内各终端节点的控制 、管理 、协调功能 ；对外网 ，它需提供各种远程智能控制接口 ，使操作者可以通过网络 、短信 /彩信对系统进行监控 。协调器的详细功能模块如图 2 所示 。 为了实现协调器的复杂功能 ，本课题选择 S3C2410 为控制核心 ，其最高工
7、作频率可达 203MHz，能提供很强的数据处理能力 。 为了移植 Linux 操作系统和支持所需的应用软件 ，需配置 64MB 的 NAND Flash、64MB 的 SDRAM；为了挂接 IP Camera 等外设 ，需在处理器上引出一个 USB 接口 、一个以太网接口 （RJ45）、三个 Uart 接口 （一个支持 GPRS，一个支持无线数据传输 、一个支持串口调试 。 由于 S3C2410 仅能支持两个 Uart，因此需在 Uart1 上扩展出两个 Uart。 ）另外 ，为了便于调试和用户进行系统设置 ，还可以连接有一个分辨率为 320*240 像素的 TFT 液晶 ，并能支持触摸屏 。
8、3.2 终端节点除 IP Camera 外 ，其它各终端节点均以 nRF24LE1 无线单片机为基础开发 ，由硬件和执行机构组成 ，用于实现有关数据的采集 、收稿日期 ：2010-01-05作者简介 ：曾妍 （1982-），女 ，四川广元人 ，四川信息职业技术学院 ，主要研究方向为嵌入式系统软件设计 ；曾宝国 （1982-），男 ，四川南充人 ，四川信息职业技术学院 ，主要研究方向为嵌入式系统硬件设计 。图 1 基于 ARM9 的智能家居系统整体方案ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology 电脑知识 与技术Vol.6,No.8,March
9、2010, pp.2033-2034E-mail: http:/Tel:+86-551-5690963 56909642033Computer Knowledge and Technology 电脑知识 与技术计算机工程应用技术 本栏目责任编辑 ：梁 书第 6 卷第 8 期 (2010 年 3 月 )上报和对家居设备的控制 。3.2.1 IP CameraIP Camera 与协调器之间的通信采用有线方式 。 若在协调器上直接架设 IPCamera 系统 ，可利用普通 USB 摄像头完成图像采集 ，然后通过协调器上的网卡或 GPRS 发给远程用户 。 虽然这种方式经济适用 ，但会大大增加协调器
10、的开发难度 ，因此本文选择专用 IP Camera 模块 ，通过 HUB 与协调器实现互通和 IP 地址的绑定 ，就可实现所需功能 。3.2.2 其它节点的硬件设计照明控制等节点与协调器之间的通信采用无线方式 ， 因此采用 nRF24LE1无线单片机为微处理器 ，它内置了硬件链路层协议 ，采用了抗干扰能力强的 GF-SK 调制解调技术 ， 片内能自动生成报头和 CRC 校验码 , 具有出错自动重发功能 ，因此基于 nRF24LE1 的终端节点具有电路简单 、成本低 、速率高 、传输距离远（可达 50m）等优点 。 为了解决各节点的防碰撞问题和简化设计 ，协调器与终端节点间采用轮询工作方式 。照
11、明控制节点要实现照明设备的遥控开关 、亮度调整 、场景组合等控制功能 ，因此至少需要一个光线强度检测器和多个灯具控制器 。 电器控制节点以窗帘 、家电等为控制对象 ，需在 nRF24LE1 的基础上连接继电器和传感器接口 。 火灾报警节点由 nRF24LE1、温度传感器 、烟雾传感器 、声光报警装置等构成 。 可燃气体泄露报警节点由 nRF24LE1、高品质气敏传感器 、声光报警装置 、气源控制阀等 。 防盗报警节点一般安装在客厅及厨房阳台入口 、卧室窗户上 ，由热释电红外传感器 、玻璃破碎传感器和声光报警装置等构成 。紧急求救节点用于安全防范 、老人救护等紧急情况下的求救报警 ，对其基本要求
12、是工作可靠 、使用简便 、安放灵活 ，由 nRF24LE1 及多路按键开关构成 。 各节点虽然功能不同 ，但电路结构均是在 nRF24LE1 的基础上接入各类传感器和多路继电器 ，以完成信息采集和家居设备控制功能 。4 软件设计智能家居系统的软件包括协调器部分软件和各终端节点部分软件 。 为了支持数据库 、 架设 Web Sever 和提供 PPPoE （支持彩信 ），协调器部分需进行操作系统的移植 、底层驱动程序开发和上层应用程序开发 ，各终端节点则主要需完成信息采集 、上报和动作执行功能的软件设计 。4.1 协调器软件设计协调器部分软件采用了嵌入式 Linux 操作系统 （2.6 内核 ）
13、以支持数据库和应用软件 。Linux 本身作为一个桌面系统 ，进入嵌入式操作系统领域时 ，需解决硬件支持 、提供二次开发环境及内核裁减等问题 。Linux2.6 内核支持主流的网卡驱动 ，可以避开网卡驱动和网络协议移植这一繁琐的过程 。 具体程序设计包括 Bootloader 启动代码 、设备驱动程序 （串口 、网络接口 、LCD 接口 、TSP 接口 、GPRS接口驱动程序等 ）、网络协议处理 、用用程序等 ，其层次结构如图 3 所示 。从对内网的管理角度看 ，协调器需要完成网络的建立 、地址的分配和终端节点的加入 、设备数据更新 、数据转发表和数据关联表的维护等 。 协调器采用轮询方式查找
14、室内的终端节点 ，并给每个节点编号组网 ，当查找到某节点就将其添加入网 ，否则将其删除 。4.2 终端节点软件设计终端节点软件设计重点是传感器信息采集 、处理和无线传输 。 在传感器信息采集方面 ，nRF24LE1 提供有 SPI、2-Wire、UART、ADC、PWM 和模拟比较器等丰富的接口 ，能很好的支持模拟量和数字量的采集 。 在无线传输部分 ，nRF24LE1 的 8051 内核通过专用 SPI 接口提供 nRF24L01 及射频收发器模块控制和数据接口 。通过 SPI 接口访问内部特殊功能寄存器 ，可以实现对射频模块配置和控制 ，如工作模式选择 、使能 /屏蔽各种中断 、各种地址设
15、置 、自动应答设置 、自动重发设置 、频段选择 、发射功率设置 、CRC 设置等等 。 nRF24LE1 的工作模式有发射 、接收 、待机及掉电四种 ，其收发模式又有 Shock BurstTM和 Enhanced ShockBurstTM两种模式 ，后者比前者多一个确定数据传输的信号 ，能更好地保证数据传输的可靠性 ，并且功耗低 、 编程简单 ， 因此本系统选择 Enhanced ShockBurstTM模式 。 nRF24LE1 内置的nRF24L01 在接收模式下可接收 6 个不同的通道的数据 ，虽使用不同的地址 ，但是共用相同的频道 。 由于协调器与各终端节点采用轮询方式工作 ，因此各
16、节点在接收时可均使用通道0，但需设置为不同的 40 位地址 。 各终端节点的软件工作流程如图 4 所示 。5 结束语通过探讨智能家居系统的方案 ，提出了基于 S3C2410 的协调器和基于 nRF24LE1 的终端节点的软硬件体系结构和实现方案 ，既提供了较强的功能和数据处理 、管理能力 ，又充分利用了 nRF24LE1 无线单片机低功耗 、无线集成等优势 。 该系统内部通信网采用简单的星型拓扑结构 ，具有组网方便 、接口开放等优点 ，但由于协调器与终端节点采用轮询方式 ，在自组网方面尚待改进 。参考文献 ：1 谢亮 .基于 nRF24LE1 的无线宽带结构健康监测 J.微计算机信息 (测控自动化 ),2009,25(7-1).2 马跃坤 ,应时彦 ,肖林荣 .基于 nRF24LE1 芯片的一对多无线数据传输的实现 J.中国电子商情 (RFID 技术与应用 ),2009(3).3 李辉 ,宋诗 ,周建江 .基于 ARM 和 nRF24L01 的无线数据传输系统 J.国外电子元器件 ,2008(12).4 罗霖 .基于 ARM-Linux 的 IP Camera 解决方案 .上海杰得微电子有限公司 ,2006.5 nRF24LE1+datasheet.图 2 协调器的详细功能模块图 3 智能家居协调器的软件结构图 4 照明控制等终端节点的软件工作流程2034
