摘要：智能家居監測與控制系統由nRF905組建無線網絡，將各個單元和主控單元連接起來統一控制，實現對家居的安防控制、環境溫度的檢測、空氣換氣控制等功能；用戶可使用紅外遙控集中控制器來操控上述任意單元，輕松控制家居環境。

　　關鍵詞：智能家居；無線組網；nRF905；安防控制

　　在智能家居中，數字家庭網絡是安裝在家居中的一種通訊平臺，它具有一般通訊網絡所應具有的特點，同時考慮到它所安裝的地點是普通的私人家居和使用者是普通居民，所以它還具有自身獨有的需求和特點，包括安全性、可用性、可靠性、靈活性、易擴展性，使用的方便性、廉價性、標準化以及體積小、重量輕和安裝方便等。智能家居系統中家庭網絡技術主要分為兩類，一種是有線家庭網絡技術，另一種為無線家庭網絡技術。

　　隨著無線通信技術的發展，無線網絡比有線網絡具有通信范圍不受環境條件限制、網絡建設周期短、施工成本低、易于維護、可擴展性好等無可比擬的優點，使其逐漸取代有線網絡，成為智能家居網絡系統組網的首選。

　　1 智能家居系統結構

　　本設計主要由溫度檢測單元，門鎖開關檢測單元，通風換氣電機控制單元，電氣開關集中控制等單元構成；各單元通過無線技術組網，實現集中控制；無線網絡的組建部分采用了令牌環拓撲結構方式，能避免多個905模塊對信道的競爭和沖突，主控單元是在無線組網的基礎上，實現對各個單元運行狀態的監測和控制。用戶還可通過Intemet／GPRS遠程訪問智能家居控制系統，查看和控制其中的設備，系統結構圖如圖1所示。

　　2 智能家居單元的無線組網

　　由于nRF905射頻芯片本身是不帶組網協議，為了使智能家居中的中央控制單元和各個控制節點構成一個完整的通訊網絡，并使系統在每一時刻最多有一個設備（含主控單元）進行數據發送（避免信道的競爭和沖突），就需要編寫協議。設計中nRF905無線網絡組網方式采用令牌環總線方式。

　　2．1 系統傳輸的數據格式

　　系統傳輸的數據格式定義如表1所示：

　　目的節點地址（4字節）：該字段是數據所要發送到的節點地址，接收端通過識別該字段來判斷是否是發給自己的數據。

　　源節點地址（4字節）：該字段是發送節點的地址，接收端通過識別該字段來判斷是誰發來的數據。

　　令牌標志（1字節）：用于判斷接收到的幀是令牌、令牌回復還是普通數據幀。

　　幀體（27字節）：該字段信息為有效數據。

　　幀校驗（1字節）：發送節點利用循環冗余碼（CRC）計算一個幀校驗序列，并將結果存入該字段。

　　2．2 令牌環總線的實現過程

　　令牌環的總線結構是總線在網絡拓撲方面的描述，總線中各節點在物理連接上是總線結構，在邏輯上引入令牌。每個節點在邏輯序列中被指定一個邏輯位置，序列中最后一個節點和第一個節點形成一個邏輯環路。每個節點知道它的前一節點和后一節點的地址。擁有令牌的節點發送數據幀，直到數據幀發送完畢或令牌持續時間到，節點才會把令牌傳給網絡上與此節點邏輯上緊密相連的下一節點。如果此節點沒有數據發送，則它把令牌傳給再下一節點，繼任節點的物理位置并不重要，可以是總線上除了本節點外的任意一個。因為在任意時刻僅有一個節點在傳輸數據，數據幀不會發生沖突，如果擁有令牌的節點故障，無法將令牌傳遞給它的繼任者，則規定令牌更新的最大時限，使節點動態地退出總線邏輯隊列，并由該節點的上一節點重新產生令牌，依序傳遞給下一節點。

　　3 智能家居監控系統單元模塊電路設計

　　3．1 溫度檢測單元

　　Dalla半導體公司的數字化溫度傳感器為“一線總線”式溫度傳感器，一線總線的特點方便用戶組建傳感器網絡，新一代的ds18b20體積更小，更經濟、靈活；其溫度測量范圍為-55℃～+125℃；精度為±0．5℃；現場溫度以一線總線的數字方式傳輸，提高了系統的抗干擾特性，同時可使用便攜式電源，接口電路少，安裝方便。溫度檢測單元電路如圖2所示。

　　3．2 門禁開關檢測單元

　　國內普通居民住房門鎖一般為機械鎖，本身沒有門鎖開關控制電路，為能有效檢測出門的開關狀態，本單元使用常見的紅外檢測方式。但針對普通的紅外安防系統沒有紅外編碼校驗功能，容易被另外的紅外光源干擾而失去作用，設計加入紅外編碼和校驗電路。通過對不同用戶設置不同的校驗碼（類似于每把鎖有不同的鑰匙）來加強紅外門禁檢測單元的安全性。另外，為減少紅外發送的功耗，本單元添加由定時器555構成的多諧振蕩器，可設置紅外檢測的周期（如300 ms），以延長系統電源的使用壽命。

　　3．3 通風換氣控制單元

　　單相感應電機具有結構簡單，價格低廉，運行可靠及維護使用方便等一系列優點，只需單相交流電源供電，因而被廣泛應用在小型機床，輕工設備、商業機械、食品加工機械、家用電器、日用機電用具等。如家用的電風扇，洗衣機，空調等都使用單相感應電機驅動工作。

　　通風換氣控制單元沒有專門設計單相電機的速度調節驅動電路，而是直接采用了常見的具有分檔調速電路的電風扇模塊控制風機運行。

　　4 智能家居主控單元軟件設計

　　智能家居主控單元的軟件設計分為5個部分：nRF905通訊網絡的控制；紅外遙控集中控制器的響應；與PC機信息交互；家居系統設置及重要運行參數的記錄；家居內部環境的自動檢測控制和各模塊之間的協調工作。主控單元在拓撲結構上只是nRF905通訊網絡中一個普通節點，也參與到整個令牌環的循環傳遞；但其在令牌環中的地位來看是令牌環中中央控制節點，負責令牌的檢測和維護。基于令牌傳遞的網絡是一種延時相對確定的網絡，在發送一個數據幀之前的最大等待時間可以由令牌平均周期時間確定。這樣每個節點得到發送權的間隔時間是大致相等的，從而在很大程度上將隨機時延轉換成確定性的時間延遲。這樣，主控單元可預知令牌環傳遞的最大周期，若超出最大周期仍未獲得令牌，則判定令牌丟失，重新建立新的令牌。

　　5 結束語

　　nRF905通訊模塊在本系統中擔任著至關重要的角色，它是智能家居系統協調可靠工作的最基本保障，在測試期間發現，最小功耗模式下室內距離30 m時通訊正常，基本滿足智能家居系統需要；若住宅布局比較復雜，則需要加大905的發射功率。實際應用結果證明該系統運行穩定，安裝方便，可滿足智能家居控制系統需求。