物联网智能家居无线传感器网络节点设计

姜永增，董 晶，宋广军，吴 迪

JIANG Yong-zeng1，DONG Jing2，SONG Guang-jun1，WU Di1

（1.齐齐哈尔大学 计算机系，齐齐哈尔 161006；2.齐齐哈尔大学 教育技术系，齐齐哈尔 161006）

0 引言

随着物联网技术的发展，无线智能家居系统将成为智能家居系统发展的主流之一。智能家居系统使用无线传感器网络技术不但克服了有线系统的高成本和不方便等缺点，而且使用方便，能够快捷的管理家务、监测家居环境、遥控家用电器等。本文分析了智能家务无线控制系统的总体结构，设计了一个小型智能家居无线传感器网络，详细介绍了无线传感器网络节点的硬件设计和软件编写。实践表明，采用nRF24E1无线模块搭建智能家居无线传感器网络，具有成本低、功耗低、快速、开放的特点，有很强的推广价值和广阔的市场前景。

1 SoC无线射频模块nRF24E1

nRF24E1是北欧集成电路公司（NORDIC）推出的一款带2.4GHz无线收发器和增强型8051内核的无线收发模块，适用于各种无线设备的短距离互连应用场合。该模块工作于2.4GHz的ISM（工业、科学、医学）频段，有多达125个频点，能够实现点对点、点对多点的无线通信，同时可通过改频、跳频来避免干扰。nRF24E1集成度非常高，内部集成了增强型51内核，2.4GHz无线收发器，100Kbps的9路模数转换器，UART接口，SPI接口、PWM输出，内置RC振荡器、看门狗和唤醒定时器以及专门的稳压电路。所有高频元件包括电感、振荡器等都集成在芯片内部，因此芯片的性能稳定，受外部环境的影响小。收发器的功耗相当低，发射模式下，射频电流消耗仅为10.5mA，接收模式下仅为18mA。

基于以上特点，本系统采用nRF24E1作为无线传感器网络节点的控制核心和无线收发器。

2 智能家居无线控制系统总体结构及工作原理

本文仅以一个被控系统和一个环境监测网络节点为例进行简单说明，其他网络节点略去。

本系统采用星形拓扑结构，主要由主控系统、被控系统、环境监测系统几个部分组成。被控系统由多个被控系统网络节点构成，被控系统网络节点又由被控无线模块和家电组成，具体实现方法就是为每一个需要进入智能家居控制系统的家电通过接口设备，如智能开关等安装被控无线模块。被控无线模块的控制核心也是nRF24E1。主控系统由主机和主控无线模块组成，其中主机可以采用嵌入式系统芯片，也可以采用PC机；主控无线模块由nRF24E1担当控制核心。

环境监测系统由多个环境监测网络节点构成，每一个节点由无线模块、环境监测传感器和一些外围器件构成。同样，环境监测网络节点的控制核心仍然由nRF24E1担当。

系统工作原理为：主控系统的主机发出指令，主控无线模块将指令无线传送到被控系统，被控无线模块将接收到的指令由接口设备传给家电，控制家电的运行，如自动窗帘的打开和关闭等。对于环境监测系统，由环境监测传感器采集当前环境中的数据，如空气中煤气含量、温度、湿度、光强度等，一旦发生煤气泄漏、失火等突发情况，可以将报警信号通过无线模块传送至主控系统，由主控系统下达命令，如打开消防开关、打开排气系统等。另外，对于普通家居生活，用户可根据需要设定一定的控制命令，如温度降低，自动打开空调加温；光线变暗，自动打开电灯开关等。

3 智能无线家居系统网络节点的硬件组成

被控系统网络节点硬件组成框图如图1所示。

图1 被控系统网络节点结构框图

监控系统网络节点硬件组成框图如图2所示。

图2 环境监测网络节点结构框图

对于家用电器来说，安装被控无线模块需要来自于各个领域的技术支持，且因家用电器种类不同而不同；同样，对于各种不同的环境监测传感器来说与微处理器的接口也各不相同。本文主要介绍无线模块的硬件组成，其硬件原理图如图3所示。

其中，nRF24E1的电源由MAX856提供，MAX856是一种高效的CMOS升压DC-DC电压源变换器，其输入电压0.8-6V，输出电压为3.3V或5V，本设计中输入电压可由电池提供，输出电压选择3.3V。

由于nRF24E1内部只有一个512Byte的ROM，使用过程中需要扩展片外存储器，采用32K串行EEPROM 25AA320作为片外存储器，存放nRF24E1运行所需的主要程序。系统上电后，512字节ROM引导程序将EEPROM中存储的程序下载到4KB RAM的程序运行空间，另外256字节RAM用于数据存储器。

对于被控系统网络节点的设计，只需在图4的基础上增加与家用电器的接口电路即可，其信号无非两类，一类是数字信号，可由nRF24E1的双向I/O口接入，另一类是模拟信号，可由其模拟输入口AIN0——AIN7接入，利用nRF24E1自带的A/D转换器将模拟信号转换成数字信号。

图3 无线模块硬件原理图

4 智能无线家居系统网络节点的软件设计

nRF24E1有多种工作方式，可以通过PWR_ UP、CE和三个控制引脚设定。当PWR_UP=1、CE=1、CS=0时设定其为ShockBurst模式，此模式不需要昂贵高速的CPU处理数据，应用片上FIFO缓冲器，以较低的速率写入数据，较高的速率发送数据，达到了节电目的，并且具有较高的数据传输率。

系统工作机制可采用主控系统轮询和突发事件报告机制。其工作流程为：主控系统每隔一定的时间向每一个网络节点发送查询命令，网络节点收到查询命令后，向主控系统回发数据。如发生紧急事件，网络节点可以主动向主控系统发送报告，由主控系统进行处理并发出相应报警信息。主控系统可以对网络节点的阈值参数进行设置，以满足不同用户的需要。

网络节点打开电源，初始化，申请加入网络后，直接进入休眠模式，当主控系统收到网络节点的中断请求时，触发中断，激活网络节点，接收信息，处理完毕后继续进入休眠状态，等待有中断请求时再次激活。若有多个网络节点同时向主控系统发送中断请求时，主控系统来不及处理而丢掉一些请求，当网络节点发现自己的请求没有得到响应后几秒钟将再次发送请求，直到得到主控系统的响应为止。

所以，被控节点处的程序要有以下功能：向主控系统发出加入网络的申请；监测空气中的无线信号，并判断是否有发给本节点的控制、查询、设置命令；执行相应的控制、查询、设置命令；发送和接收无线信号。

根据上面的设计思路，我们设计出如下程序流程图，如图4所示。

图4 被控系统网络节点程序框图

监控系统网络节点的软件部分主要负责对传感器采集的信号进行A/D转换并判断采集的结果是否达到报警值，若达到则进行报警处理。利用nRF24E1内部自带的A/D转换器进行转换。同时，监控系统网络节点作为系统的一个分节点，在开始之前也要先加入网络中，并接受主控系统的控制，执行相应的查询、控制功能。

5 结束语

根据无线传感器网络技术和智能家居的特点，提出了基于nRF24E1的智能家居无线传感器网络系统的构成方案，详细介绍了无线传感器网络节点硬件组成和软件编写。由于nRF24E1的集成度高，功耗低，使其应用系统更为简化，大大增强了无线系统的稳定性和可靠性，同时开发也变得更为简单，成本进一步降低。实验表明，该系统的配置合理，通信协议简单，功耗低，有良好的市场前景。

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