一种基于微控制器的智能家居电能控制系统

射频收发模块是连接插座与遥控器的桥梁。nRF905集成收发器能在3个ISM频段配置使用，且功耗很低。本系统中的所有节点均设置在433 MHz频段工作嘲，射频收发电路原理图如图7所示，其中的SMA接口用来连接特性阻抗为5O Ω的单端天线，有利于信号的全向辐射。单端天线又被称为非平衡天线，其主要参考点为信号地，而nRF905的天线接口(引脚ANT1和ANT2)为差分射频输出端口。为了维持信号平衡，保证两个端口的阻抗匹配，此处在两者之间增加了balun(平衡月乍平衡)电路，对芯片输出端的特性进行调节。

图7 射频收发电路

2.5 GSM通信模块

将短距射频网络与GSM技术相结合，既发挥了短距射频网络配置灵活的特点，又发挥了GSM技术在通信距离上的优势。GSM通信电路的核心是SIM300模块，其外围电路如图8所示。

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