1、家电远程控制系统的设计本文由 coolyudi贡献pdf文档可能在 WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。家电远程控制系统的设计(项目基金：河南省教育厅科学技术攻关项目；项目名称：智 能家居系统的研究；编号：2006120012；申请人：魏平俊） 魏平俊 1，冯荣耀 2，王现军 3 （1. 中原工学院，电子信息学院，河南 郑州 450007；2. 郑州大学，教育技术中心， 河南 郑州 450052；3. 郑州大学，信息工程学院，河南 郑州 450052） 摘 要：首先给出了系统硬件结构，系统控制器采用单片机 AT89C51，接口采用 RS232，电平转换芯片采用
2、 MAX232，无线收发器采用 NRF401。然后给出了系统数据 流程，建立了系统通信协议，包括通信方式的设计、服务器与网关的通信协议以及网关 与家电控制器的通信协议。给出了系统软件的设计流程图。测试结果表明，系统具有良 好的实用性、可靠性和可扩展性，达到了设计目的。关键词：家用电器；远程控制；网关控制器；通信协议 中图分类号：TN602 文献标识码：B 文章编号： Design of Home Appliances Remote Controlling System Wei Ping-jun 1；Feng Rong-yao 2；Wang Xian-jun3 (1. Department of
3、 Electrics and Information Engineering, Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007, China;2. Center of Education Technical,Zhengzhou University, Henan Zhengzhou 450052,China;3. Institute of Information Engineering,Zhengzhou University, Henan Zhengzhou 450052,China） Abstract:.The paper put f
4、orward system hardware structure first, the system controller adopt a miniature computer AT89C51,the computer interface adopt RS232, the voltage convertor adopt RS232,the radio transceiver adopt NRF401.System driftage data is put forward next,system correspondence negotiate is built up,it includes c
5、orrespondence way,server- getway correspondence negotiate and getway- home appliances controller correspondence negotiate.The system software driftage chart is put forward finally. The experiment result make clear the system has fine practicability, reliability and extendibility,the design purpose i
6、s realized. Key words: home appliances; remote controlling; getway controller; correspondence negotiate 1 引言 随着网络技术的发展以及生活水平的提高，智能家居逐步进入人们的生活。智能家 居是利用电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台把与家居生活有关的各种 子系统有机地结合的一个综合系统。家电远程控制系统是智能家居的重要组成部分，系 统包括远程客户端、家庭服务器、网关控制器、家电控制器等四个子系统。本文着重介 绍网关控制器、家电控制器的设计。 2 系统硬件设计 家电远程控制系统，除了
7、 PC 之外，系统硬件主要有网关模块和家电控制模块，如 图 1 所示， 系统控制器采用单片机 AT89C51， 接口采用 RS232， 电瓶转换芯片采用 MAX23 无线收发器采用 NRF401。系统先由 PC 向网关传递数据，PC 通过串口 RS-232-C 与 AT89C51 连接，AT89C51 通过 NRF401 把数据发向各个家电控制器，家电控制器操作各 个家电，操作结果通过 NRF401 传到网关，由网关方向 NRF401 接收，并把这个数据传 送到 PC 机。整个流程从远端登录家庭 PC，PC 通过网关传送数据到家电控制器，各控 制器把结果通过网关返回到 PC 上，从而实现通过
8、INTERNET 使远程用户控制家电的目 的。PCRS232MAX232AT89C51NRF401 网关电磁阀开关 家用电器 1 家用电器 2 1 NRF401 2 家电控制器 D/A 转换器 AT89C51 家用电器 n n图 1 系统硬件组成框图每一种家电都有一个总的控制器，同类家电由家电控制器根据相应的家电地址进行 控制，不同种类的家电通过不同家电控制器进行控制。 2.1 控制器 系统采用的控制器是 AT89C51，是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的 低电压、 高性能 CMOS 八位微处理器。 它采用 QTMEL 高密度非易失存储器制造技术制 造，与工业标准的 MCS-51
9、 指令集和输出管脚相兼容。将多功能八位 CPU 和闪烁存储 器组合在单个芯片中，使 ATMEL 的 AT89C51 成为一种高效微控制器，为很多嵌入式控 制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 在网关中，AT89C51 主要控制 RS232 与 PC 接收和发送数据，控制 NRF401 的发送 与接收数据。在控制器中，AT89C51 控制 NRF401 的发送与接收数据和处理数据命令。 2.2 无线收发器 选择无线收发芯片时应该考虑的主要因素有：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发 芯片所需的外围元件数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。本设计 选用的 NRF401 单片无线收发芯片
10、为短距离无线通信提供了较好的解决方法。 NRF401 是一个 433MHz ISMA 频段的单片 UHF 无线收发芯片。 NRF401 无线收发 芯片的结构有：内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串 行接口几部分。它采用 FSK 调制解调技术，最高工作速率可以达到 20K，发射功率可以 调整，最大发射功率是+10dBm。NRF401 的天线接口设计差分天线，以便于使用低成本 的 PCB 天线。 NRF401 射频模块硬件电路具体设计：为了获得最佳的 RF 性能，使用 1.6mnRF4 板材的双面 PCB，NRF401 的直流供电必须使用高性能的 RF 电容去耦。在 PC
11、B 板上， 应避免电源走线， 所有的开关数字信号和控制信号都不能经过 NRF401 的 PLL 环路滤波 元件和 VCO 电感附近。连接 NRF401 的天线采用了差分方式连，家电控制器的天线采 用的是直接蚀刻在 PCB 板上的差分环形天线，网关的天线采用高灵敏度单方向天线， 单端天线与 NRF401 之间是通过一个差分转换匹配网络连接起来的。 因采用了低发射频率、高接收灵敏度的设计，无需申请使用许可证，开阔的使用距 离最远可达 1000 米（与具体使用环境及元件参数有关） 。 3 通信协议 3.1 通信方式的设计 数据通信的传输方式有单工、半双工、全双工和多工方式。考虑家用电器的控制不需收发
12、双方同时传送数据，系统采用了半双工通信方式。半双工通信方式，可以实现数 据的双向传送，但不能同时进行，系统是通过某种协议来实现收、发开关转换的。 串行数据通信形式有异步通信和同步通信两种。异步通信，接收器和发送器有各自 的时钟，它们的工作是非同步的，异步通信用一帧来表示一个字符，每传输一帧字符需 要加上起始位和停止位，占用了传输时间，在要求传送数据量较大的场合，速度较慢； 同步通信， 发送器和接收器由同一个时钟源控制， 同步传输方式不需要起始位和停止位， 只要在传输数据块时先送出一个同步头（字符）标志即可，比异步传输方式速度更快， 但同步传输方式必须用一个时钟来协调收发器的工作，所以设备比较复
13、杂。 考虑家用电器控制对传输速度要求不高，系统采用异步通信。 3.2 系统通信协议 系统 NRF401 工作在 ISM 频段 433MHz 附近， 该频段无需申请许可证， 网关作为传 递控制安全的载体，先由 PC 向网关传递数据，数据由 PC 传到网关以后保存在地址位 7000H 的存储单元中， 然后启动无线收发器， 7000H 单元中读出数据， 从 并通过 NRF401 发送出去。 发送时先由网关发出，各控制器接收并识别，若是自己的地址，则回送一个“地址 正确”的信号。若网关连发三次地址没有控制器响应，则网关返回 PC 一个“找不到控制 器”的信息。网关收到地址正确后，发送数据，控制器接收并
14、校验，直到接受正确为止。 控制器接收到数据后，进行判断是何种操作并执行，然后把执行结果发回网关。网关接 收控制器信息并校验，校验的结果不对，则要求重发，直到接收正确。 控制字有网关发出，控制字的内容包含有地址和控制命令，其中的地址是由家电控 制器的地址和家电地址组成， 控制命令是控制家电的开关两个量， 此时家电控制器都处 于接收状态，检测地址若与自己的地址相同则继续接收数据，然后操作家电，并把操作 结果数据由家电控制发给网关控制器。 网关把从接收回来的数据放在 7000H 的地址。向 PC 传送数据时，是从 7000H 开头 的地址开始传送，传送完成以后，网关等待下一组操作家电时传来的命令数据
15、。每次只 能操作一台家电，只有操作信息返回后，才能执行下一台家电的操作，这样就避免了无 线传输中的数据碰撞问题。 NRF401 的最大数据传输率为 20kbps，为了获得网关与控制器之间的稳定通信，单片机的系统时钟频率为 6MHz，波特率选定为 1200bps。 3.3 无线通信协议的设计 无线通信协议的关键是能够识别噪声和有效数据。噪声是以随机字节出现的，没有 明显的结合方式；噪声源可以产生任意字节的组合。系统是通过一种协议方式来有效地 抑制噪声的。 系统采取了差错控制与容错技术。通过测试和试验发现，oxFF 后跟 oxAA、ox55 在噪声中不容易发生。传输协议应该在数据包前加开始字节，o
16、xFF 后跟 oxAA、ox55 发送协议的开始应该是一个任意内容的字节（这是因为第一个字节的数据在发送时容易 丢失） ，然后是 oxFF 后跟一个 oxAA、ox55；接收协议规定只接收以 oxFF 后跟 oxAA、 ox55 开始的包，有效地抑制噪声。 一个指令由 4 字节构成，首先发送的是控制器地址字节，家电控制器验证通过后， 然后发送后三个字节，并形成校验和，后三个字节发出后，发校验和，如果网关没有接 收到地址符合的信号，则重发该命令，连续三次错误时停发。数据从家电控制器发到网 关时，4 个字节是直接发送的。因为网关能接收所有除自己发送以外的数据。 4 软件设计 系统涉及到的软件主要有
17、本地服务器程序、服务器端应用程序、网关接收服务器数据的程序和网关发送数据到服务器的程序。下面给出服务器和网关收发数据的程序设 计。 4.1 网关主程序 网关主程序完成网关与服务器的数据交换及网关与家电控制器的数据交换，程序 框图如图 2 所示。开始初始化网关接收 PC 数据网关发送数据到控制器网关接收控制器的数据网关传送数据到 PC 图 2 网关主程序流程图网关接收服务器数据的程序 网关接收服务器数据时，在连续收到 FFH,AAH,55H 三个同步符后进行地址验证， 验证通过后正式接收指令字节；如未通过，则网关发一信号让服务器重发，三次验证不 过则停发该命令。程序流程如图 3 所示。 4.2开
18、 始 接收# FFH返回# BBH接收数据效验正确 N Y 返回# AAH 接收结束 图 3 网关接收服务器数据的流程图4.3 网关发送数据到服务器 网关发送数据到服务器时，是先发 FFH，AAH，55H 三个同步符，然后发送数据， 网关每发一个家电控制指令，家电控制器都回送一个应答信号。该应答信号指示传送数 据正确与否。程序流程如图 4 所示。网关发送数据到服务 发送# FFH发送数据返回 N Y 接收结束图 4 网关发送数据到服务器的流程图5结论 本文基于单片机 AT89C51 和无线收发器 NRF401 设计了家电远程控制系统，建立 了系统通信协议，包括通信方式的设计、服务器与网关的通信
19、协议以及网关与家电控制 器的通信协议；给出了系统主要软件的设计流程图。测试结果表明，系统具有良好的实 用性、可靠性和可扩展性，达到了设计目的。 本文作者的创新点在于采用单片机作为控制器、通过无线收发器对普通家用电器进 行远程控制，界面友好、适用性强、便于实现。参考文献： 1 余 为 清 , 熊 国 良 , 刘 举 平 . 智 能 家 用 远 程 控 制 仪 的 设 计 与 实 现 J. 微 计 算 机 信 息.2008,2-1:128-129 2高文宇. 基于 Internet 的远程控制系统J. 微计算机信息,2008,4-1:62-63 3 魏 平 俊 , 方 向 前 , 韩 建 勋 .
20、一 种 智 能 家 居 安 防 系 统 的 电 路 设 计 J. 半 导 体 技 术,2006,8:30-32 4 李东民 钟佩思 吕鲲等. 基于网络的家庭远程控制系统的设计与实现J. 微计算 机信息.2008,6-2:104-105 5 刘建华,徐志国. 宽带智能家庭网关技术与应用J.信息技术,2003,3:21-22 作者简介： 魏平俊（1963-） ，男，河南郑州市人，教授，中原工学院电子信息学院工作，主要 从事电子信息与通信技术的教学研究工作。 Biography: Wei Ping-jun (1963-), Male, Zhengzhou city in Henan Province
21、, Department of Electrics and Information Engineering, Zhongyuan University of Technology,Professor, Major: Electrics and Information Engineering. 联系方式：项目经济效益： 我国家电年产量为 1 亿台左右，若将其中 10%发展为网络家电，每年网络家电生产 量应该在 1000 万台左右，围绕家庭网络系统的市场空间预计将达到每年 200 亿元以上。按市场占有率的 10计算，本产品每年的市场份额将在 20 亿元以上。 本项目已与河南格瑞特科技有限公司签订了技术合作协议，已经产生经济效益 30 万元。1
