漫射红外技术的智能家居无线局域网设计

考虑到未来家居红外网络的扩展性、节能性和价格，从节点选用超低功耗、高性能单片机C8051F964作为系统MCU。具有64 kB的片内Flash和8 448字节片内RAM、10位300 ksps或12位75 ksps单端ADC、SMBUS／I2C总线、增强型硬件UART、4个通用16位定时器等特性。配有红外收发模块HSDL-3020的从节点与家用电器、灯具、三表等家居设备相连，实现命令控制或数据传输。红外网络系统的从节点硬件结构如图4所示。

2．2 红外收发模块
HSDL-3020是安华高科技公司推出的红外收发模块。该模块体积小、传输速度快，通过该模块，可以将串口中的逻辑信号转换成红外信号并发送到空气中。HSDL-3020为3红外收发头封装，它的遥控命令(红外光波长940 nm)和数据传输(红外光波长874 nm)功能得到了充分的发挥。它完全兼容IrDA1．4物理层的低功耗规格，具有调制解调功能，传输速率9．6 kbps～4．0 Mbps，并具备广角和高辐射强度，不对人眼造成任何伤害，数据传输距离最高可达14 m。HSDL-3020可以处于睡眠模式以达到最低的功率消耗。在睡眠模式下，Pin二极管将会被闲置，只产生极少的光电流，这些光电流甚至比周围普通光还要低，所以低功耗效果非常理想。
2．3 红外收发模块的设计
MCU和红外收发模块HSDL-3020可通过UART接口直接连接。HSDL-3020的数据输入端TxD_RC兼容CMOS电平，并且它提供的红外通信端口(ICP)支持双通道SIR数据，其传输速率为115．2 kbps，也支持FIR数据，传输速率高达4 Mbps。图5为HSDL-3020与MCU的硬件接口连接图。

其中，MCU与HSDL-3020的“红外数据”只可通过UART接口进行发送，而“遥控命令”既可以通过UART接口，也可通过通用I／O口进行发送。对SD和TxD_IR两引脚输入不同的时序逻辑，可以改变HSDL-3020的通信方式，实现SIR、MIR及FIR三种方式的切换。通信过程中应注意的是，虽然在硬件上数据传输和遥控命令可以同时进行，但在软件上需要解决空中传输数据混淆和丢失的问题。

3 智能家居红外网络的建立
3．1 IrDA通信协议简介
红外数据协会(Infrared Data Association，IrDA)是1993年6月成立的一个独立组织，它为短距离红外无线数据通信制定了一系列开放的标准。IrDA标准包括3个必须的协议层：物理层协议(IrPHY)、链路建立协议(IrLAP)、链路管理协议(IrLMP)。除此之外，还有一些适用于特殊的应用模式的可选层。IrDA的目标是制定能以合理且较小的代价实现标准和协议，以推进红外通信的发展。IrDA协议栈结构图如图6所示。

当今IrDA红外通信方式的通信速度因IrDA物理层的规范方式而异，共分为5大类SIR、MIR、FIR、VFIR和UFIR。SIR通信速度为115 kbps，用于文字信息的传输。MIR和FIR方式的通信速度分别为1 Mbps和4 Mbps，可使文字信息传输速度更快，也可传输音频信息，如MP3、WMA等格式的文件。VFIR和UFIR方式的通信速度分别为16 Mbps和100 Mbps，主要用于图像数据信息传输。在智能家居领域中，图像传输比较少，故采用前3种通信方式。
3．2 红外编码格式
IrDA协议的物理层制定了规范的编码格式。IrDA物理层1．0版本应用于SIR和MIR通信方式。它基于异步串行通信接口，将从UART接收到的数据进行了编码，将数据“0”变换成3／16位速率或1．6μs的窄脉冲，而数据“1”变换成不发送脉冲。IrDA物理层1．0版的帧结构如图7所示。

其中，两个STA为起始位，每个STA由01111110组成；后面的内容是上层IrLAP协议加载来的数据，包括8位地址位、8位控制位和n×8位数据位(nMAX=256)；FCS为16位的CRC校验位；STO为停止位，由01111110组成。
IrDA物理层1．1版本应用于FIR通信方式。它采用4PPM调制方法，以500 ns为固定时隙并将其4等分，根据脉冲在时隙的位置来确定数字模式。4PPM调制方法具有4 Mbps的传输速率，在此速率下，封装包是以同步方式传送的。IrDA物理层1．1版的帧结构如图8所示。

其中，16PA为16位的引导码1000 0000 1010 1000；一个STA起始位由0000 1100 0000 1100 0110 0000 01100000组成；后面的内容同样是上层IrLAP协议加载来的数据，包括8位地址位、8位控制位和n×8位数据位(nMAX=256)；FCS为32位的CRC校验位；STO为停止位，由0000 1100 0000 1100 0000 0110 0000 0110组成。
3．3 红外网络的建立过程
红外网络节点由IrDA通信协议的IrLAP完成链路连接，IrLAP在红外信道上提供了一种可靠的数据传输机制。在网络中，各收发模块以红外方式通信时实现寻址、地址冲突处理、恢复机制、工作站的发现／识别、连接建立、主站竞争、媒体接入控制等功能。在面向连接的业务中，IrLAP为所支持的数据链路提供了业务的服务质量，可选的数据块大小为64～2 048位，可选波特率为9 600～4 000 000 bps，等待时间阈值为3 s，最大探询时间为50～500 ms。
IrLAP定义了3种帧：
①无编号帧。用于建立和释放数据链路，报告过程错误，传送数据。
②监督帧。用于链路管理，如应答接收帧、传输站点状态报告帧序列错误。
③信息帧。用于传输信息。
IrLAP的工作过程包括地址冲突处理、建立连接、唤醒、信息交换、重置连接、终止连接。IrLAP工作过程如图9所示。