CN104331056A - 一种新型智能家居室内无线网络通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型智能家居室内无线网络通信系统，主要用于家居电器的远程控制与电气信息的远程采集，是智能家居系统的重要组成部分。该系统以nRF905无线射频收发芯片作为基本的无线通信媒介，凭借微功率技术稳定高效的通信性能，对电器设备进行组网工作。该系统通过精确的程序控制，既能实时无线采集电气信息如三表信息、安防警报等，也能发出或者接收室内主机的控制指令，实现对电器设备的远程控制。
Description
技术领域
本发明涉及到智能电网需求侧能源管理“智能用电”技术的实施，主要提供一种应用于智能家居系统的新型“室内无线网络通信系统”整体架构的设计，涉及到无线射频模块的硬件开发与软件设计，设计出一种针对智能家居的具有家电远程控制、电气信息远程采集的新型“室内无线网络通信系统”。
背景技术
在国家的大力扶持下，以智能配电、智能输电、智能用电为特征的智能电网已成为新一代电网的发展趋势。相对于传统的家居用电，智能家居系统具有信息化、自动化、互动化等优势，是实现智能用电的重要依托。在实现智能家居用电监测与控制的过程中，具有便捷、高效等特点的室内无线通信网对提高系统可靠性与舒适性至关重要。
随着智能家居的大规模发展，传统的网络布线方式既不便于扩展与改造，也会增加布线成本。使用基于nRF905无线射频模块开发的室内无线网络通信系统无需布线,有着安装便利、组网容易、扩展性高、成本较低等优点，在室内电气信息的采集监测和电器设备控制方面具有独特的优势。本系统面向智能家居的电器终端控制进行设计，以室内主机为控制核心，既可以通过无线网络联结常用的家用电器，从而轻松实现家电的远程控制与智能控制，又可以对各个家电产品的耗电量进行监控，并与电力系统进行连接，便于用电管理。因此，通过采用室内无线网络通信系统，并结合“四网合一”技术，可以极大地简化布线工作，提高智能家居系统工作效能，促进绿色环保技术的发展。
另一方面，本系统基于微功率射频模块进行开发，是一种新型的室内通信组网技术，具有功耗低、通信距离远、模块成本低等一系列优点。相比于几种传统的通信技术，基于射频技术通信网络有着自己独特的优势。红外通信技术由于在数据传输过程中两个通信设备之间不能有障碍物，且不能边移动边传输，因此不适合在复杂的工作环境中使用。蓝牙技术的有效传输距离小于10m，更适合鼠标、键盘等设备。WI-FI（802.11b）技术的设备使用费较为昂贵。而微功率短距离无线通信一般使用数字信号单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围元器件即可构成专用或通用无线通信模块。同时，无线射频技术是一种新型无线通信技术，相比于ZigBee技术，使用无线射频技术开发的智能家居无线网络通信系统具有完全的自主知识产权，是智能家居系统大规模发展的重要技术保障，也是本发明使用的主要技术。
发明内容
室内无线网络通信系统主要用于家居电器的远程控制与电气信息的远程采集，是智能家居系统的重要组成部分。该系统以nRF905无线射频收发芯片作为基本的无线通信媒介，凭借微功率技术稳定高效的通信性能，对电器设备进行组网工作。该系统通过精确的程序控制，既能实时无线采集电气信息如三表信息、安防警报等，也能发出或者接收室内主机的控制指令，实现对电器设备的远程控制。
本发明的技术方案如下：
一种新型智能家居室内无线网络通信系统，包括下位机执行机构、无线射频模块二、无线射频模块一、室内主机；下位机执行机构与无线射频模块二连接，无线射频模块二与无线射频模块一通过无线连接，无线射频模块一与室内主机连接；无线射频模块二和无线射频模块一均包括nRF905无线射频收发芯片、微型控制器MCU、电源及串口等外围电路；室内主机通过串口连接无线射频模块一，并与和下位机执行机构相连的无线射频模块二进行通信；
室内主机一方面接收由无线射频模块一通过串口发送来的信息并进行分析处理，包括计算、存储、显示；另一方也通过无线射频模块一向与下位机执行机构连接的无线射频模块二下达控制指令，包括复位、信息采集、机械动作；由无线射频模块二实现对下位机执行机构的信息采集和对下位机执行机构的动作控制，因此室内主机间接实现对下位机执行机构的电气信息采集和远程控制；
下位机执行机构一方面通过各项传感器对室内电气信息进行采集，包括电压信息、电流信息、温度信息、光照信息，采集结果由无线射频模块二通过其微型控制器MCU读取并在分析处理后发送至与室内主机连接的无线射频模块一；另一方面，下位机执行机构执行由无线射频模块二下达的控制指令，包括继电器开合、电机动作、空调调节。
包括两个以上的下位机执行机构。
所述下位机执行机构包括电器控制模块、安防设施模块、环境监测模块、三表集抄数据采集模块；
所述电器控制模块：以智能插座为载体，用于室内主要电器的电气信息采集以及电器设备的控制；
所述安防设施模块：包括窗磁、门磁、烟感、紧急按钮，用于室内安防、火灾以及其他紧急情况；
所述环境监测模块：包括光照传感器、温度传感器、湿度传感器，用于室内环境的监测；
所述三表集抄数据采集模块：包括电表、水表、气表数据采集模块，用于采集三表数据并上传到室内主机。
一种新型智能家居室内无线网络通信系统，其工作过程为如下：
（1）首先系统上电进行系统自检及各个模块的初始化，包括定时器、AD转换初始化，配置无线收发模块工作模式、数据收发地址、数据宽度、地址宽度、CRC校检、发射功率；
（2）然后下位机执行机构进入循环工作状态，定时向主机发送确认信息，确保下位机执行机构处于正常工作状态；同时下位机执行机构中的测量部分也进行AD中断采样；
（3）在AD循环中断采样的过程中，下位机执行机构同时在等待室内主机发送来的数据操作指令；当接收到数据请求指令时，下位机执行机构将采集准备好的数据通过无线射频模块一发送给无线射频模块二，并最终传送给室内主机；室内主机当接收到操作用电设备的指令及用电设备类型及编号时，MCU发出控制继电器的指令或者红外发射的指令，达到远程控制管理用电设备的功能。
（4）室内主机将采集到数据进行分析判断，以决定是否发出报警信号，并向下位机执行机构进行控制操作；同时，室内主机也可以接收用户操作指令，对下位机执行机构状态进行主动查询，或者对下位机进行配置。
所述电器控制模块的工作过程包括：
定时发送确认信息部分和接收主机控制信息部分；电器控制模块每隔一段时间向主机发送一次确认信息，如果主机超过一定时间没有检测到电器控制模块发过来的确认信息，则判定电器控制模块出错；同时，电器控制模块也不断监测主机的控制信号，包括启停、开度。
所述安防设施模块的工作过程包括：
采用发送确认信息的方式确保该模块的正常工作，室内主机也可以主动询查，另外还可以修改下位机地址，究竟要完成那种功能通过标志位来确定；安防设施模块采用循环扫描的方式，一旦接收到主机信息，就通过标志位识别，从而确定是发送确认信息还是修改地址。
所述环境监测模块的工作过程包括：
定时发送环境数据以确保环境监测模块在正常工作；在环境监测模块支持室内主机定时刷新环境数据，保证终端显示的数据的实时性和实用性；如果想得到某一时刻的环境数据，但是定时时间未到，这时就可以通过发送查询信息到环境监测模块，模块接到查询信息后，通过识别标志位，确认询查指令，然后调用环境监测函数，并将测得的数据发回主机；另外通过识别标志位，如果是修改地址指令，则修改本机地址。
所述三表集抄数据采集模块的工作过程包括：
定时发送确认信息和接收主机查询信息，其工作方式与环境监测模块基本一致。
本发明采用基于nRF905无线射频收发芯片构筑的室内无线网络通信系统稳定可靠，能完全满足智能家居系统对室内无线网的需求，其主要优点列述如下：
1）扩展性好。nRF905无线射频收发芯片具有一套完整的通信协议，并结合该芯片固有的调频通信能力，能够轻易实现一对多、多对多通信，因此只需对控制程序进行升级即可对室内无线网络通信系统进行扩展。
2）功耗低。nRF905无线射频收发芯片采用微功率技术，在包含其控制MCU及外围电路的条件下，无线射频模块的功率在mW级别。
3）稳定可靠。基于nRF905的无线射频模块有效通信距离在50m以上，且不受障碍物阻隔，在复杂电磁环境及气候条件下下均可正常工作。在稳定可靠工作的同时，又具有相对较低的价格。
4）使用nRF905无线射频模块构筑室内无线网是一种全新的组网方式，在只能家居大规模应用时能获得核心技术的上游优势。
附图说明
图1是本发明的层次示意图；
图2是本发明的整体架构图；
图3是90C52AD单片机（MCU）电路原理图；
图4是nRF905无线收发芯片接口图；
图5是nRF905无线收发芯片发送数据流程图；
图6是nRF905无线收发芯片接收数据流程图；
图7是窗帘控制机构与室内主机的通信流程图；
图8是安防模块与室内主机的通信流程图；
图9是环境监测模块与室内主机的通信流程图；
图10是三表模块与室内主机的通信流程图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本系统分为三个层次：下位机执行机构、基于无线射频技术的通信设备无线射频模块一和二、室内主机。
其中基于无线射频技术的通信设备无线射频模块主要包括三部分：nRF905无线射频收发芯片、控制MCU、电源及串口等外围电路。这三部分共同构成了无线射频通信底板，集信号收发、信号解析处理功能于一体，这里合称为无线射频模块。无线射频模块既可以通过控制MCU的I/O口控制下位机执行机构的动作，又可以通过串口与室内主机进行实时通信，同时两块无线射频模块之间也可以通过无线方式进行通信，从而在下位机和室内主机之间建立起通信连接。由于一块无线射频模块可以与其他多块无线射频模块之间同时进行通信，因此可以实现室内主机与下位机执行机构的一对多通信。
下位机执行机构负责电气信息的采集及控制指令的执行。在工作过程中，下位机执行机构一方面通过各项传感器对室内电气信息进行采集，比如电压信息、电流信息、温度信息、光照信息，采集结果由无线射频模块二通过控制MCU读取并在分析处理后发送至与室内主机连接的无线射频模块一；另一方面，下位机执行机构也执行由无线射频模块二下达的控制指令，比如继电器开合、电机动作、空调调节等。
室内主机是室内无线网络通信系统的信息集散地，主要通过串口与无线射频模块一进行连接，并利用无线射频模块一和无线射频模块二进行无线通信。工作过程中，室内主机一方面接收由无线射频模块一通过串口发送来的信息并进行分析处理，比如计算、存储、显示等；另一方面也通过无线射频模块一向与下位机执行机构连接的无线射频模块二下达控制指令，比如复位、信息采集、机械动作等。由于无线射频模块二可以实现对下位机执行机构的信息采集和对下位机执行机构的动作控制，因此室内主机就可以间接实现对下位机执行机构的电气信息采集和远程控制。
本发明将主要介绍基于射频技术的室内无线网络通信系统的整体架构与工作流程。系统的整体架构如附图2所示，室内主机通过串口连接无线射频模块一从而接入室内无线网络通信系统，并与和下位机执行机构相连的无线射频模块二进行通信。同时，室内主机也可以通过光纤与小区局域网进行连接，从而用户即可以通过网页、客户端等方式实现对室内电气设备的遥控与监测。由于这是室内主机的外联功能，与本发明关系不甚密切，此处不作详细说明。室内无线网络通信系统是本发明的主要说明部分，通过无线射频模块接入该网络的下位机执行机构主要包括如下四个部分：
（a）电器控制模块：以智能插座为载体，主要用于室内主要电器的电气信息采集以及电器设备的控制；
（b）安防模块：主要有窗磁、门磁、烟感、紧急按钮等，用于室内安防、火灾以及其他紧急情况；
（c）环境监测模块：主要有光照传感器、温度传感器、湿度传感器等，用于室内环境的监测；
（d）三表数据采集模块：即电表、水表、气表数据采集模块，用于采集三表数据并上传到室内主机。
本发明依托nRF905无线射频收发芯片构建了一个完整的室内无线网络通信系统，利用无线射频模块作为通信媒介，实现了室内主机与下位机执行机构之间的信息交互，从而提高了家居生活的品质。如前所述，下位机执行机构包括家用电器、安防模块、环境监测模块和三表集抄模块。
现将整个系统的运行流程说明如下：
首先系统上电进行系统自检及各个模块的初始化，包括定时器、AD转换初始化，配置无线收发模块工作模式、数据收发地址、数据宽度、地址宽度、CRC校检、发射功率等内容。
然后下位机进入循环工作状态，定时向主机发送确认信息，确保下位机处于正常工作状态。同时下位机执行机构中的测量部分（包括电器控制模块中的电压/电流传感器、三表集抄模块中的电表、气表、水表测量传感器）也进行AD中断采样。本处以电压/电流测量为例进行说明，在一个周期（20ms）中，电压/电流传感器一共进行64次采样，将电流电压的瞬时值计算出来，然后每隔一个周期在乘法运算器中进行快速运算，从而打到精确的一个周期中的有功功率，并计算好电压电流一个周期的有效值，在此不断的循环中断采样计算，并每隔四分钟主动通过无线射频模块向智能家居系统主机发送有功功率，电压电流有效值，继电器是否安全等状态信息。此外，其他模块的下位机也将开关量、环境温度等模拟量采集并发送到室内主机进行分析判断。
在AD循环中断采样的过程中，下位机同时也在等待智能家居系统室内主机发送来的数据操作指令。当接收到数据请求指令时，智能插座立刻将采集准备好的数据通过无线射频模块一发送给无线射频模块二，并最终传送给室内主机。当接收到操作用电设备的指令及用电设备类型及编号时，此时MCU发出控制继电器的指令或者红外发射的指令，从而达到远程控制管理用电设备的功能。
室内主机工作时，会将采集到数据进行分析判断，以决定是否发出报警信号，并向下位机进行控制操作。同时，室内主机也可以接收用户操作指令，对下位机状态进行主动查询，或者对下位机进行配置，如修改地址等操作。
无线射频模块硬件说明：主要包括控制MCU、nRF905单片无线收发芯片、电源转换电路等几部分。如附图3所示，本系统通信底板以90C52AD单片机为控制MCU，通过单片机I/O口模拟SPI通信，从而与设计好的nRF905无线收发模块相连接。如附图4所示为nRF905无线收发芯片的接口图，其中MISO为SPI输出，MOSI为SPI输入，CSN为SPI使能端，低电平有效。此外，CD、AM、DR三个管脚分别为载波检测输出、地址匹配输出、数据就绪输出。附图3与附图4中标识相同的管脚在实际电路中是连接在一起的。
无线射频模块数据收发流程说明：如附图5所示为nRF905芯片的发送数据流程图。发送数据时由控制MCU对nRF905芯片进行I/O操作，使之进入发射模式，然后将待发送数据写入nRF905芯片，在给数据加上字头和CRC校验码后激发数据发送。如附图6所示为nRF905芯片的接收数据流程图。接收数据时，首先由控制MCU对nRF905进行I/O操作，使之进入接收模式，在检测到同一频段载波后，先将相关标志位置1，再进行地址匹配和数据校验，检测无误后出发中断，提示控制MCU读取数据。
系统通信流程说明：系统运行时，下位机执行机构负责采集传感器、开关量等电气信息，并将收到的信息通过无线射频模块二传送给无线射频模块一，再由无线射频模块一通过串口将信息传达给室内主机。同样，当室内主机运行的程序要下达指令时，先将指令通过串口发送给无线射频模块一，再通过无线通信传达给无线射频模块二，并由无线射频模块二中的MCU解析指令并对下位机进行操作。室内主机与下位机执行机构进行的通信主要包括下面四个部分：
1）室内主机与下位机执行机构中电器控制模块的无线通信：该模块以智能插座为载体，控制对象包括电灯、窗帘、空调等部分，是智能家居的重要组成部分。系统工作时，智能插座可以采集连接到该插座的电器的电流、电压、功率等信息，并通过无线射频模块一和无线射频模块二（1）构成的媒介将信息传递到室内主机进行保存。另一方面通过室内主机的控制指令也可以通过同样的方式传送到智能插座，并通过控制信号对相应的电器发送控制其启停、模式调整等信号，例如开关量信号或者红外信号，本发明以电器控制模块中的窗帘控制机构为例进行说明。如附图7所示为窗帘控制程序，主要包括两部分，定时发送确认信息部分和接收主机控制信息部分。下位机每隔一段时间向主机发送一次确认信息，如果主机超过一定时间没有检测到下位机发过来的确认信息，则判定下位机出错；同时，下位机也不断监测主机的控制信号，如启停、开度等。
2）室内主机与下位机执行机构中安防模块的无线通信：安防模块由四个部分组成，其原理基本相同。在外界条件触发下，比如按下紧急按钮、窗磁触片分离、红外传感器被拆开等，安防器件发出报警信号。无线射频模块二（3）中的控制MCU检测到这些信号后，把报警信息通过无线通信发送给无线射频模块一，无线射频模块一再将信息通过串口发送给室内主机，室内主机发出警鸣，并进一步处理信息。如附图8所示，安防模块同样采用发送确认信息的方式确保该模块的正常工作，室内主机也可以主动询查，另外还可以修改下位机地址，究竟要完成那种功能通过标志位来确定。下位机采用循环扫描的方式，一旦接收到主机信息，就通过标志位识别，从而确定是发送确认信息还是修改地址。
3）室内主机与下位机执行机构中环境监测模块的无线通信：如附图9所示，该模块的程序具有定时发送环境数据功能以确保环境监测模块在正常工作。在环境监测模块中，这部分程序的另外一个功能是支持室内主机定时刷新环境数据，保证终端显示的数据的实时性和实用性。如果想知道某一时刻的环境数据，但是定时时间未到，这时就可以通过发送查询信息到环境监测模块，模块接到查询信息后，通过识别标志位，确认询查指令，然后调用环境监测函数，并将测得的数据发回主机。另外通过识别标志位，如果是修改地址指令，则修改本机地址。
4）室内主机与下位机执行机构中三表模块的无线通信：实验电表是远传电表DDSF722（40A）远传电表，具有RS485通信功能，我们配套该型号电表开发了无线远传模块，将无线串口转换为RS485接口与电表连接起来。同样，程序部分包括定时发送确认信息和接收主机查询信息。其工作方式与环境监测模块基本一致，其通信流程如附图10所示，此处不加赘述。
Claims (8)
1.一种新型智能家居室内无线网络通信系统，其特征在于：包括下位机执行机构、无线射频模块二、无线射频模块一、室内主机；下位机执行机构与无线射频模块二连接，无线射频模块二与无线射频模块一通无线连接，无线射频模块一与室内主机连接；无线射频模块二和无线射频模块一均包括nRF905无线射频收发芯片、微型控制器MCU、电源及串口外围电路；室内主机通过串口连接无线射频模块一，并与和下位机执行机构相连的无线射频模块二进行通信；
室内主机一方面接收由无线射频模块一通过串口发送来的信息并进行分析处理，包括计算、存储、显示；另一方也通过无线射频模块一向与下位机执行机构连接的无线射频模块二下达控制指令，包括复位、信息采集、机械动作；由无线射频模块二实现对下位机执行机构的信息采集和对下位机执行机构的动作控制，因此室内主机间接实现对下位机执行机构的电气信息采集和远程控制；
下位机执行机构一方面通过各项传感器对室内电气信息进行采集，包括电压信息、电流信息、温度信息、光照信息，采集结果由无线射频模块二通过其微型控制器MCU读取并在分析处理后发送至与室内主机连接的无线射频模块一；另一方面，下位机执行机构执行由无线射频模块二下达的控制指令，包括继电器开合、电机动作、空调调节。
2.根据权利要求1所述的一种新型智能家居室内无线网络通信系统，其特征在于：包括两个以上的下位机执行机构。
3.一种新型智能家居室内无线网络通信系统，其特征在于：所述下位机执行机构包括电器控制模块、安防设施模块、环境监测模块、三表集抄数据采集模块；
所述电器控制模块：以智能插座为载体，用于室内主要电器的电气信息采集以及电器设备的控制；
所述安防设施模块：包括窗磁、门磁、烟感、紧急按钮，用于室内安防、火灾以及其他紧急情况；
所述环境监测模块：包括光照传感器、温度传感器、湿度传感器，用于室内环境的监测；
所述三表集抄数据采集模块：包括电表、水表、气表数据采集模块，用于采集三表数据并上传到室内主机。
4.根据权利要求1所述的一种新型智能家居室内无线网络通信系统，其特征在于：其工作过程为如下：
（1）首先系统上电进行系统自检及各个模块的初始化，包括定时器、AD转换初始化，配置无线收发模块工作模式、数据收发地址、数据宽度、地址宽度、CRC校检、发射功率；
（2）然后下位机执行机构进入循环工作状态，定时向主机发送确认信息，确保下位机执行机构处于正常工作状态；同时下位机执行机构中的测量部分也进行AD中断采样；
（3）在AD循环中断采样的过程中，下位机执行机构同时在等待室内主机发送来的数据操作指令；当接收到数据请求指令时，下位机执行机构将采集准备好的数据通过无线射频模块一发送给无线射频模块二，并最终传送给室内主机；室内主机当接收到操作用电设备的指令及用电设备类型及编号时，MCU发出控制继电器的指令或者红外发射的指令，达到远程控制管理用电设备的功能；
（4）室内主机将采集到数据进行分析判断，以决定是否发出报警信号，并向下位机执行机构进行控制操作；同时，室内主机也可以接收用户操作指令，对下位机执行机构状态进行主动查询，或者对下位机进行配置。
5.根据权利要求1所述的一种新型智能家居室内无线网络通信系统，其特征在于：所述电器控制模块的工作过程包括：
定时发送确认信息部分和接收主机控制信息部分；电器控制模块每隔一段时间向主机发送一次确认信息，如果主机超过一定时间没有检测到电器控制模块发过来的确认信息，则判定电器控制模块出错；同时，电器控制模块也不断监测主机的控制信号，包括启停、开度。
6.根据权利要求1所述的一种新型智能家居室内无线网络通信系统，其特征在于：所述安防设施模块的工作过程包括：
采用发送确认信息的方式确保该模块的正常工作，室内主机也可以主动询查，另外还可以修改下位机地址，究竟要完成那种功能通过标志位来确定；安防设施模块采用循环扫描的方式，一旦接收到主机信息，就通过标志位识别，从而确定是发送确认信息还是修改地址。
7.根据权利要求1所述的一种新型智能家居室内无线网络通信系统，其特征在于：所述环境监测模块的工作过程包括：
定时发送环境数据以确保环境监测模块在正常工作；在环境监测模块支持室内主机定时刷新环境数据，保证终端显示的数据的实时性和实用性；如果想得到某一时刻的环境数据，但是定时时间未到，这时就可以通过发送查询信息到环境监测模块，模块接到查询信息后，通过识别标志位，确认询查指令，然后调用环境监测函数，并将测得的数据发回主机；另外通过识别标志位，如果是修改地址指令，则修改本机地址。
8.根据权利要求1所述的一种新型智能家居室内无线网络通信系统，其特征在于：所述三表集抄数据采集模块的工作过程包括：
定时发送电表、水表、气表的数据信息以确保三表模块在正常工作；在三表集抄模块支持室内主机定时刷新环境数据，保证终端显示的数据的实时性和实用性；如果想得到某一时刻的三表数据，但是定时时间未到，这时就可以通过发送查询信息到三表集抄模块，模块接到查询信息后，通过识别标志位，确认查询指令，然后执行读表子程序，并将读到的信息发回主机；另外通过识别标志位，如果是修改地址指令，则修改本机地址。
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2014
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