從對內網的管理角度看,協調器需要完成網絡的建立、地址的分配和終端節點的加入、設備數據更新、數據轉發表和數據關聯表的維護等。協調器采用輪詢方式查找室內的終端節點,并給每個節點編號組網,當查找到某節點就將其添加入網,否則將其刪除。
4.2 終端節點軟件設計
終端節點軟件設計重點是傳感器信息采集、處理和無線傳輸。在傳感器信息采集方面,nRF24LE1提供有SPI、2-Wire、UART、ADC、PWM 和模擬比較器等豐富的接口,能很好的支持模擬量和數字量的采集。在無線傳輸部分,nRF24LE1 的8051內核通過專用SPI 接口提供nRF24L01及射頻收發器模塊控制和數據接口。通過SPI 接口訪問內部特殊功能寄存器,可以實現對射頻模塊配置和控制,如工作模式選擇、使能/屏蔽各種中斷、各種地址設置、自動應答設置、自動重發設置、頻段選擇、發射功率設置、CRC 設置等等。nRF24LE1的工作模式有發射、接收、待機及掉電四種,其收發模式又有Shock BurstTM和Enhanced ShockBurstTM兩種模式,后者比前者多一個確定數據傳輸的信號,能更好地保證數據傳輸的可靠性,并且功耗低、編程簡單,因此本系統選擇Enhanced ShockBurstTM模式。nRF24LE1內置的nRF24L01在接收模式下可接收6 個不同的通道的數據,雖使用不同的地址,但是共用相同的頻道。由于協調器與各終端節點采用輪詢方式工作,因此各節點在接收時可均使用通道0,但需設置為不同的40 位地址。各終端節點的軟件工作流程如圖4所示。
5 結束語
通過探討智能家居系統的方案,提出了基于S3C2410的協調器和基于nRF24LE1的終端節點的軟硬件體系結構和實現方案,既提供了較強的功能和數據處理、管理能力,又充分利用了nRF24LE1無線單片機低功耗、無線集成等優勢。該系統內部通信網采用簡單的星型拓撲結構,具有組網方便、接口開放等優點,但由于協調器與終端節點采用輪詢方式,在自組網方面尚待改進。
參考文獻:
[1] 謝亮.基于nRF24LE1的無線寬帶結構健康監測[J].微計算機信息(測控自動化),2009,25(7-1).
[2] 馬躍坤,應時彥,肖林榮.基于nRF24LE1芯片的一對多無線數據傳輸的實現[J].中國電子商情(RFID技術與應用),2009(3).
[3] 李輝,宋詩,周建江.基于ARM和nRF24L01的無線數據傳輸系統[J].國外電子元器件,2008(12).
[4] 羅霖.基于ARM-Linux的IP Camera解決方案.上海杰得微電子有限公司,2006.
[5] nRF24LE1+datasheet.
摘要:以三星公司的ARM9(S3C2410)和Nordic公司的nRF24LE1單片機為核心,結合Internet、GPRS、及傳感器技術,采用有線與無線相結合的聯網方式實現一個中低端家居智能集中控制系統,重點分析了整體方案和軟硬件設計。
關鍵詞:智能家居系統;ARM9;nRF24LE1
中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)08-2033-02
Smart Home System Based on ARM9 and nRF24LE1
ZENG Yan1, ZENG Bao-guo2
(Sichuan Information Technology College, Guangyuan 628017, China)
Abstract: With the core of Samsung's ARM9 (S3C2410) and the Nordic company's nRF24LE1 microcontroller, combining with Internet, GPRS, and sensor technology, the thesis designs and realizes a low-end Smart Home Control Systems, mainly introduced the overall design, the hardware design and the software design of the system.
Key words: smart home system; ARM9; nRF24LE1
1 概述
智能家居是現代科技、建筑與人居理念的完美結合,它以住宅為平臺,利用計算機技術、數字技術、網絡通信技術和綜合布線技術,將與居家生活有關的家庭安防監控、公共安防監控、信息系統、家庭設備的互連與遙控、物業管理等有機地聯接起來,通過中央管理平臺進行網絡化綜合管理和遠程控制,來創造一個優質、高效、舒適、安全、便利、節能、健康、環保的居住生活環境空間。
廣闊的市場前景為智能家居的發展提供了經濟源動力,而各種微處理器技術、嵌入式操作系統技術、通訊技術的進步則為智能家居的實現提供了必要的技術基礎。本文以三星公司的ARM9(S3C2410)和Nordic公司的nRF24LE1單片機為核心,結合Internet、GPRS及傳感器技術,采用有線與無線相結合的聯網方式實現一個中低端家居智能集中控制系統。
2 總體方案
智能家居系統一般可以劃分為內部網、協調器和外部網三個部分。目前關于家庭內部網絡有多種解決方案,無線組網因具有組網和維護方便、擴展性好等特點成為今后發展的趨勢。基于設計技術可行、系統功能經濟適用、接口開放、數據庫功能強等基本原則,本系統采用如圖1所示的星型組網方案,由一個協調器(匯聚節點)和多個室內終端節點組成。協調器以三星公司ARM9(S3C2410)為控制器,它具有較強的處理能力,能提供較好的數據庫支持功能;各終端節點以nRF24LE1無線單片機為微控制器,它采用了Nordic最新的無線和超低功耗技術,內部集成了增強型51內核單片機、A/D、2.4GHz無線傳輸等外設及豐富的接口,很適合應用于智能家居系統,完成各類傳感器采集的溫度、亮度、濕度等模擬量的采集、處理和無線傳輸。
3 硬件設計
3.1 協調器的硬件框圖
協調器是智能家居系統的核心部分。對內網,它需要完成室內各終端節點的控制、管理、協調功能;對外網,它需提供各種遠程智能控制接口,使操作者可以通過網絡、短信/彩信對系統進行監控。
協調器的詳細功能模塊如圖2所示。為了實現協調器的復雜功能,本課題選擇S3C2410為控制核心,其最高工作頻率可達203MHz,能提供很強的數據處理能力。為了移植Linux操作系統和支持所需的應用軟件,需配置64MB的NAND Flash、64MB的SDRAM;為了掛接IP Camera等外設,需在處理器上引出一個USB接口、一個以太網接口(RJ45)、三個Uart接口(一個支持GPRS,一個支持無線數據傳輸、一個支持串口調試。由于S3C2410僅能支持兩個Uart,因此需在Uart1上擴展出兩個Uart。)另外,為了便于調試和用戶進行系統設置,還可以連接有一個分辨率為320*240像素的TFT液晶,并能支持觸摸屏。
3.2 終端節點
除IP Camera外,其它各終端節點均以nRF24LE1無線單片機為基礎開發,由硬件和執行機構組成,用于實現有關數據的采集、上報和對家居設備的控制。
3.2.1 IP Camera
IP Camera與協調器之間的通信采用有線方式。若在協調器上直接架設IP Camera系統,可利用普通USB攝像頭完成圖像采集,然后通過協調器上的網卡或GPRS發給遠程用戶。雖然這種方式經濟適用,但會大大增加協調器的開發難度,因此本文選擇專用IP Camera模塊,通過HUB與協調器實現互通和IP地址的綁定,就可實現所需功能。
3.2.2 其它節點的硬件設計
照明控制等節點與協調器之間的通信采用無線方式,因此采用nRF24LE1無線單片機為微處理器,它內置了硬件鏈路層協議,采用了抗干擾能力強的GFSK調制解調技術,片內能自動生成報頭和CRC校驗碼, 具有出錯自動重發功能,因此基于nRF24LE1的終端節點具有電路簡單、成本低、速率高、傳輸距離遠(可達50m)等優點。為了解決各節點的防碰撞問題和簡化設計,協調器與終端節點間采用輪詢工作方式。
照明控制節點要實現照明設備的遙控開關、亮度調整、場景組合等控制功能,因此至少需要一個光線強度檢測器和多個燈具控制器。電器控制節點以窗簾、家電等為控制對象,需在nRF24LE1的基礎上連接繼電器和傳感器接口。火災報警節點由nRF24LE1、溫度傳感器、煙霧傳感器、聲光報警裝置等構成。可燃氣體泄露報警節點由nRF24LE1、高品質氣敏傳感器、聲光報警裝置、氣源控制閥等。防盜報警節點一般安裝在客廳及廚房陽臺入口、臥室窗戶上,由熱釋電紅外傳感器、玻璃破碎傳感器和聲光報警裝置等構成。緊急求救節點用于安全防范、老人救護等緊急情況下的求救報警,對其基本要求是工作可靠、使用簡便、安放靈活,由nRF24LE1及多路按鍵開關構成。各節點雖然功能不同,但電路結構均是在nRF24LE1的基礎上接入各類傳感器和多路繼電器,以完成信息采集和家居設備控制功能。
4 軟件設計
智能家居系統的軟件包括協調器部分軟件和各終端節點部分軟件。為了支持數據庫、架設Web Sever和提供PPPoE(支持彩信),協調器部分需進行操作系統的移植、底層驅動程序開發和上層應用程序開發,各終端節點則主要需完成信息采集、上報和動作執行功能的軟件設計。
4.1 協調器軟件設計
協調器部分軟件采用了嵌入式Linux操作系統(2.6內核)以支持數據庫和應用軟件。Linux本身作為一個桌面系統,進入嵌入式操作系統領域時,需解決硬件支持、提供二次開發環境及內核裁減等問題。Linux2.6內核支持主流的網卡驅動,可以避開網卡驅動和網絡協議移植這一繁瑣的過程。具體程序設計包括Bootloader啟動代碼、設備驅動程序(串口、網絡接口、LCD接口、TSP接口、GPRS接口驅動程序等)、網絡協議處理、用用程序等,其層次結構如圖3所示。
4.2 終端節點軟件設計
終端節點軟件設計重點是傳感器信息采集、處理和無線傳輸。在傳感器信息采集方面,nRF24LE1提供有SPI、2-Wire、UART、ADC、PWM 和模擬比較器等豐富的接口,能很好的支持模擬量和數字量的采集。在無線傳輸部分,nRF24LE1 的8051內核通過專用SPI 接口提供nRF24L01及射頻收發器模塊控制和數據接口。通過SPI 接口訪問內部特殊功能寄存器,可以實現對射頻模塊配置和控制,如工作模式選擇、使能/屏蔽各種中斷、各種地址設置、自動應答設置、自動重發設置、頻段選擇、發射功率設置、CRC 設置等等。nRF24LE1的工作模式有發射、接收、待機及掉電四種,其收發模式又有Shock BurstTM和Enhanced ShockBurstTM兩種模式,后者比前者多一個確定數據傳輸的信號,能更好地保證數據傳輸的可靠性,并且功耗低、編程簡單,因此本系統選擇Enhanced ShockBurstTM模式。nRF24LE1內置的nRF24L01在接收模式下可接收6 個不同的通道的數據,雖使用不同的地址,但是共用相同的頻道。由于協調器與各終端節點采用輪詢方式工作,因此各節點在接收時可均使用通道0,但需設置為不同的40 位地址。各終端節點的軟件工作流程如圖4所示。
5 結束語
通過探討智能家居系統的方案,提出了基于S3C2410的協調器和基于nRF24LE1的終端節點的軟硬件體系結構和實現方案,既提供了較強的功能和數據處理、管理能力,又充分利用了nRF24LE1無線單片機低功耗、無線集成等優勢。該系統內部通信網采用簡單的星型拓撲結構,具有組網方便、接口開放等優點,但由于協調器與終端節點采用輪詢方式,在自組網方面尚待改進。
參考文獻:
[1] 謝亮.基于nRF24LE1的無線寬帶結構健康監測[J].微計算機信息(測控自動化),2009,25(7-1).
[2] 馬躍坤,應時彥,肖林榮.基于nRF24LE1芯片的一對多無線數據傳輸的實現[J].中國電子商情(RFID技術與應用),2009(3).
[3] 李輝,宋詩,周建江.基于ARM和nRF24L01的無線數據傳輸系統[J].國外電子元器件,2008(12).
[4] 羅霖.基于ARM-Linux的IP Camera解決方案.上海杰得微電子有限公司,2006.
[5] nRF24LE1+datasheet.
摘要:以三星公司的ARM9(S3C2410)和Nordic公司的nRF24LE1單片機為核心,結合Internet、GPRS、及傳感器技術,采用有線與無線相結合的聯網方式實現一個中低端家居智能集中控制系統,重點分析了整體方案和軟硬件設計。
關鍵詞:智能家居系統;ARM9;nRF24LE1
中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)08-2033-02
Smart Home System Based on ARM9 and nRF24LE1
ZENG Yan1, ZENG Bao-guo2
(Sichuan Information Technology College, Guangyuan 628017, China)
Abstract: With the core of Samsung's ARM9 (S3C2410) and the Nordic company's nRF24LE1 microcontroller, combining with Internet, GPRS, and sensor technology, the thesis designs and realizes a low-end Smart Home Control Systems, mainly introduced the overall design, the hardware design and the software design of the system.
Key words: smart home system; ARM9; nRF24LE1
1 概述
智能家居是現代科技、建筑與人居理念的完美結合,它以住宅為平臺,利用計算機技術、數字技術、網絡通信技術和綜合布線技術,將與居家生活有關的家庭安防監控、公共安防監控、信息系統、家庭設備的互連與遙控、物業管理等有機地聯接起來,通過中央管理平臺進行網絡化綜合管理和遠程控制,來創造一個優質、高效、舒適、安全、便利、節能、健康、環保的居住生活環境空間。
廣闊的市場前景為智能家居的發展提供了經濟源動力,而各種微處理器技術、嵌入式操作系統技術、通訊技術的進步則為智能家居的實現提供了必要的技術基礎。本文以三星公司的ARM9(S3C2410)和Nordic公司的nRF24LE1單片機為核心,結合Internet、GPRS及傳感器技術,采用有線與無線相結合的聯網方式實現一個中低端家居智能集中控制系統。
2 總體方案
智能家居系統一般可以劃分為內部網、協調器和外部網三個部分。目前關于家庭內部網絡有多種解決方案,無線組網因具有組網和維護方便、擴展性好等特點成為今后發展的趨勢。基于設計技術可行、系統功能經濟適用、接口開放、數據庫功能強等基本原則,本系統采用如圖1所示的星型組網方案,由一個協調器(匯聚節點)和多個室內終端節點組成。協調器以三星公司ARM9(S3C2410)為控制器,它具有較強的處理能力,能提供較好的數據庫支持功能;各終端節點以nRF24LE1無線單片機為微控制器,它采用了Nordic最新的無線和超低功耗技術,內部集成了增強型51內核單片機、A/D、2.4GHz無線傳輸等外設及豐富的接口,很適合應用于智能家居系統,完成各類傳感器采集的溫度、亮度、濕度等模擬量的采集、處理和無線傳輸。
3 硬件設計
3.1 協調器的硬件框圖
協調器是智能家居系統的核心部分。對內網,它需要完成室內各終端節點的控制、管理、協調功能;對外網,它需提供各種遠程智能控制接口,使操作者可以通過網絡、短信/彩信對系統進行監控。
協調器的詳細功能模塊如圖2所示。為了實現協調器的復雜功能,本課題選擇S3C2410為控制核心,其最高工作頻率可達203MHz,能提供很強的數據處理能力。為了移植Linux操作系統和支持所需的應用軟件,需配置64MB的NAND Flash、64MB的SDRAM;為了掛接IP Camera等外設,需在處理器上引出一個USB接口、一個以太網接口(RJ45)、三個Uart接口(一個支持GPRS,一個支持無線數據傳輸、一個支持串口調試。由于S3C2410僅能支持兩個Uart,因此需在Uart1上擴展出兩個Uart。)另外,為了便于調試和用戶進行系統設置,還可以連接有一個分辨率為320*240像素的TFT液晶,并能支持觸摸屏。
3.2 終端節點
除IP Camera外,其它各終端節點均以nRF24LE1無線單片機為基礎開發,由硬件和執行機構組成,用于實現有關數據的采集、上報和對家居設備的控制。
3.2.1 IP Camera
IP Camera與協調器之間的通信采用有線方式。若在協調器上直接架設IP Camera系統,可利用普通USB攝像頭完成圖像采集,然后通過協調器上的網卡或GPRS發給遠程用戶。雖然這種方式經濟適用,但會大大增加協調器的開發難度,因此本文選擇專用IP Camera模塊,通過HUB與協調器實現互通和IP地址的綁定,就可實現所需功能。
3.2.2 其它節點的硬件設計
照明控制等節點與協調器之間的通信采用無線方式,因此采用nRF24LE1無線單片機為微處理器,它內置了硬件鏈路層協議,采用了抗干擾能力強的GFSK調制解調技術,片內能自動生成報頭和CRC校驗碼, 具有出錯自動重發功能,因此基于nRF24LE1的終端節點具有電路簡單、成本低、速率高、傳輸距離遠(可達50m)等優點。為了解決各節點的防碰撞問題和簡化設計,協調器與終端節點間采用輪詢工作方式。
照明控制節點要實現照明設備的遙控開關、亮度調整、場景組合等控制功能,因此至少需要一個光線強度檢測器和多個燈具控制器。電器控制節點以窗簾、家電等為控制對象,需在nRF24LE1的基礎上連接繼電器和傳感器接口。火災報警節點由nRF24LE1、溫度傳感器、煙霧傳感器、聲光報警裝置等構成。可燃氣體泄露報警節點由nRF24LE1、高品質氣敏傳感器、聲光報警裝置、氣源控制閥等。防盜報警節點一般安裝在客廳及廚房陽臺入口、臥室窗戶上,由熱釋電紅外傳感器、玻璃破碎傳感器和聲光報警裝置等構成。緊急求救節點用于安全防范、老人救護等緊急情況下的求救報警,對其基本要求是工作可靠、使用簡便、安放靈活,由nRF24LE1及多路按鍵開關構成。各節點雖然功能不同,但電路結構均是在nRF24LE1的基礎上接入各類傳感器和多路繼電器,以完成信息采集和家居設備控制功能。
4 軟件設計
智能家居系統的軟件包括協調器部分軟件和各終端節點部分軟件。為了支持數據庫、架設Web Sever和提供PPPoE(支持彩信),協調器部分需進行操作系統的移植、底層驅動程序開發和上層應用程序開發,各終端節點則主要需完成信息采集、上報和動作執行功能的軟件設計。
4.1 協調器軟件設計
協調器部分軟件采用了嵌入式Linux操作系統(2.6內核)以支持數據庫和應用軟件。Linux本身作為一個桌面系統,進入嵌入式操作系統領域時,需解決硬件支持、提供二次開發環境及內核裁減等問題。Linux2.6內核支持主流的網卡驅動,可以避開網卡驅動和網絡協議移植這一繁瑣的過程。具體程序設計包括Bootloader啟動代碼、設備驅動程序(串口、網絡接口、LCD接口、TSP接口、GPRS接口驅動程序等)、網絡協議處理、用用程序等,其層次結構如圖3所示。
