基于Coaex-M3的智能家居电能控制系统设计

　　图8 GSM通信电路原理图

　　原理图SIM300通过串口与MCU通信，模块与SIM卡之间串联的22 Ω电阻用于阻抗匹配。为保证信号的传输质量，SIM卡数据线作了上拉处理，与引脚并联的SMF05C型静电抑制器用于静电防护。电源与地之间并联的100 μF钽电容和1 μF陶瓷电容用于去除低频毛刺，并在一定程度上兼顾了高频特性。按下按键S1,使PWRKEY引脚的电位拉低约2 s左右，可以完成模块的上电与掉电，当前状态由串联在VDD_EXT引脚上的发光二极管指示。为了便于程序控制，在原有按键的基础上增加了一种三极管开关电路，当模块工作异常时，可以通过软件改写PWR端口的状态来实现SIM300的自动复位。

　　3 软件设计

　　遥控器和插座对于整个射频无线网络而言都是其中的节点，但硬件结构上的差异决定了两者功能与地位上的不同，也使得两者在软件设计的方式上有所差别。

　　3.1 遥控器节点程序设计

　　遥控器是系统的控制核心，也是用户与插座之间联系的纽带，因此程序中的并发模块多，任务繁重。考虑到遥控器中采用的ARM处理器可提供对操作系统的全面支持，利用μC/OS-Ⅱ操作系统对该节点中的多个任务进行调度 ,可有效保证系统的实时性和稳定性，也有利于功能的扩展。在进行操作系统移植前，需要对任务进行划分，每个功能对应一个系统任务，同时应避免划分过细而导致频繁调度的问题。遥控器节点的程序流程如图9所示，其中包含了7个任务，任务之间通过信号量、消息队列、消息邮箱等方式实现同步与通信。从用户的角度来看，这些任务是并发执行的。

　　图9 遥控器节点程序流程图

　　按键扫描任务的优先级在所有用户任务中最高。通过中断方式读取用户输人的按键值，数据存人消息邮箱KeyMbox中，若数字键1-6被按下，则通知射频发送任务处理;若时钟设置按键被按下，则进行时钟调整或定时器设置。时钟定时任务用于获得DS1302的时钟输出值，在定时时间到达后，发送消息通知射频发送任务处理，完成后自动挂起。射频发送任务是根据其他任务中获得的控制码，以射频方式对相应编号的插座发送通断电控制信号，随后等待插座端返回动作信息。若超时无反馈则重发1次，重发3次后任务挂起。危险报警任务需经过同频载波检测，地址匹配确认后，才开始接收射频信号，进而将信息送人邮箱，解码确认危险报警标识后，通过GSM模块，以短消息的方式通知用户。短信接收任务负责接收用户短信，并将其存放在消息邮箱GSMMbox中。通过AT指令“AT+CMGR=I”每次只读取序号为1的短信息，成功提取控制码(包含插座ID号和开关动作码)后，将该条信息删除，并向射频发送任务传递消息。环境监测任务负责对室内温湿度信息循环采样。虽然温度传感器的线性度较好，但外界环境对湿度传感器的影响较大，需对其输出电压值作分段线性化处理。数据存放于消息队列中，最终结果为3次测量值的算术平均值。液晶显示任务优先级最低，待以上任务结束后，负责显示各插座最终的状态、时钟信息以及室内温湿度测量结果等。

　　3.2 插座节点程序设计

　　插座节点程序流程如图10所示，其中最主要的工作是实现射频信号的接收与发送。当没有烟雾报警时，nRF905进入接收模式，同时侦听信道;若监测到同频载波且数据包地址有效，则启动接收;当CRC校验结果正确，硬件会自行去除数据包的前导码、校验码及地址码 ,并通知MCU数据准备就绪，进而MCU通过SPI串行总线读取接收到的信息。

　　图1O 插座节点程序流程图

　　射频信号发送本质上是接收的逆过程。当nRF905进入待机模式后，MCU将地址与数据信息传送至射频芯片的发送寄存器，同时启动芯片进入射频发送模式，随后片内硬件自动完成对数据的打包、编码、调制及发送任务。一帧数据发送结束后，射频芯片转入待机模式，等待下一次被激活。射频电路的每一次接收或发送过程都伴随着继电器的接通或断开动作。默认条件下，烟雾传感器处于使能状态，为了防止用户在室内抽烟而导致系统误判，烟雾检测功能也可以设置为失效。

　　4 测试与分析

　　在图11所示住宅中进行现场测试，6个插座和1个遥控器被放置于A到G这7个区域内。为了评估系统的抗干扰能力，在各区域的交界处均放置两个干扰源，频率为432 MHz和434 MHz.改变遥控器所在位置，对6个插座各遥控200次，并记录插座端的回馈信号。若返回错误信息或不反馈，则作为一次丢包记录。

　　图11 测试现场网络节点分布图

　　结果发现，遥控器在C、E两个区域平均误码率略高于其他区域;当遥控器在G区域时，平均误码率最低，效果最好。

　　5 结语

　　本系统实现了对家用插座的智能无线控制，在不改动原有家电内部结构的基础上，用户可以通过射频、短信、定时等方式，控制插座的通断电状态。当室内发生火灾或可燃气体泄漏等情况时，插座能自动断电。整个系统对控制对象没有特殊要求，适应性较强，不失为一种廉价的智能家居解决方案。