漫射紅外技術(shù)的智能家居無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)設計

　　智能家居是融合了自動(dòng)化控制系統、計算機網(wǎng)絡(luò )系統和網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò )智能化的家居控制系統。智能家居將讓用戶(hù)用更方便的手段來(lái)管理家庭設備，比如通過(guò)觸摸屏、無(wú)線(xiàn)遙控器、電話(huà)、互聯(lián)網(wǎng)或者語(yǔ)音識別控制家用設備，更可以執行場(chǎng)景操作，使多個(gè)設備形成聯(lián)動(dòng)。另一方面，智能家居內的各種設備相互間可以通信，不需要用戶(hù)指揮也能根據不同的狀態(tài)互動(dòng)運行，從而給用戶(hù)帶來(lái)最大程度的高效、便利、舒適與安全的使用環(huán)境。

　　紅外技術(shù)是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段，它利用紅外線(xiàn)作為載體，進(jìn)行數據傳輸。在日常生活中，紅外技術(shù)的應用隨處可見(jiàn)，如通過(guò)紅外遙控器對電視機、空調等家用電器進(jìn)行控制和在耳機上以紅外的方式進(jìn)行音頻傳輸等。在智能家居控制領(lǐng)域，紅外技術(shù)與射頻和藍牙技術(shù)相比有它自身的優(yōu)勢。一方面，從應用的角度上看，射頻信號的頻譜已經(jīng)非常擁擠，而各個(gè)國家對射頻頻譜范圍管理較嚴格，可提供的無(wú)線(xiàn)電波的頻率范圍也非常緊缺，而電磁波譜中的光譜是不受通信管理委員會(huì )條例限制的。另一方面，與藍牙技術(shù)相比，紅外技術(shù)在傳輸距離上雖與之相似，但可節省大量成本。近幾十年來(lái)，隨著(zhù)編碼調制技術(shù)的發(fā)展，紅外無(wú)線(xiàn)數據傳輸率也越來(lái)越高，可以說(shuō)紅外傳輸技術(shù)已經(jīng)成熟。另外，它穩定性高、私密性強，所以，非常適合用在短距離無(wú)線(xiàn)通信智能家居控制系統中。

　　1 智能家居網(wǎng)絡(luò )結構

　　1.1 總體結構

　　在室內紅外網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)終端節點(diǎn)控制器配備用于光電信號相互轉化的紅外收發(fā)模塊，以發(fā)散的紅外光作為載體信號，使在同一室內的各終端節點(diǎn)以自組織方式構成網(wǎng)絡(luò )，形成對目標的監測區域。每個(gè)房間分別裝有一個(gè)主節點(diǎn)控制器和若干個(gè)從節點(diǎn)控制器，這些控制器的尺寸很小，可以安裝在室內任何區域，工作范圍又僅限在自己的屋內，所以不受相鄰屋子系統操作的干擾。主節點(diǎn)控制器之間以電力線(xiàn)形式連接，實(shí)現家庭中各居室的相互通信。

　　主節點(diǎn)控制器同時(shí)又配有GPRS模塊，可以與外部網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。主節點(diǎn)控制器通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò )，把數據從監測區域發(fā)送到遠程數據庫，然后利用各種應用軟件對采集到的數據進(jìn)行分析處理，通過(guò)各種顯示方式提供給終端用戶(hù)。用戶(hù)和遠程任務(wù)管理單元也可以通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò )，與主節點(diǎn)控制器進(jìn)行交互，如向目的節點(diǎn)發(fā)布查詢(xún)請求和控制命令，并接收返回的信息。通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò )控制主節點(diǎn)控制器發(fā)出紅外光，散射到天花板、墻壁或其他物體上，并在其表面產(chǎn)生漫反射，光信號載體就布滿(mǎn)了整個(gè)房間。這樣，從節點(diǎn)控制器接收輻射光的視覺(jué)角度寬，而且接收是適合各個(gè)方向的。因此，主從節點(diǎn)的發(fā)射模塊和接收模塊不需要有直接的照射光線(xiàn)，光的傳輸路徑不會(huì )輕易被打斷。同樣的傳輸方法也適用于上傳數據。紅外無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )體系結構如圖1所示。

　　1.2 室內結構

　　在充滿(mǎn)漫射紅外光的住宅內，紅外遙控器和主節點(diǎn)控制器都具有專(zhuān)用的身份識別碼、電器選擇碼。紅外遙控器還具有功能鍵代碼，當按下相應鍵時(shí)，便發(fā)射出紅外光，光線(xiàn)中攜帶有自身的編碼信息、操作對象及操作指令。每個(gè)家用設備都安裝一個(gè)從節點(diǎn)控制器，這些從節點(diǎn)控制器在出廠(chǎng)時(shí)不帶有自身的編碼地址信息，需用戶(hù)輸入指定的身份地址編碼，從節點(diǎn)控制器通過(guò)自學(xué)習過(guò)程，存儲該編碼。使用過(guò)程中，從節點(diǎn)控制器接收到紅外光信息后，對信息進(jìn)行身份識別，就可對與它連接的設備進(jìn)行相應的操作，并在完成之后發(fā)出反饋信號。室內的不同控制器分別實(shí)現了其自身功能，室內智能家居結構如圖2所示。

　　室內智能家居向用戶(hù)提供家電統一管理、照明控制、供電控制、室內無(wú)線(xiàn)遙控、防盜報警、家居安全保障、溫度光照檢測與調節及GPRS遠程監控等功能，并結合其他系統為住戶(hù)提供一個(gè)溫馨舒適、安全節能、先進(jìn)易用的家居環(huán)境，讓住戶(hù)充分享受到現代科技給居家生活帶來(lái)的安全、舒適、便利與精彩。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 節點(diǎn)結構

　　主節點(diǎn)選用STM32L151芯片作為系統MCU。該芯片是意法半導體公司提供的超低功耗、高數據安全性、高效能的ARMCortex-M3系列芯片。由于本系統采用漫射紅外原理，單獨的紅外光不足以構成室內紅外光網(wǎng)，故主節點(diǎn)采用紅外收發(fā)模塊點(diǎn)陣增大光強和光照范圍，增強室內紅外數據傳輸的可靠性。主節點(diǎn)配有GPRS模塊與外部網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。另外，從安全的角度考慮，無(wú)論是主節點(diǎn)還是從節點(diǎn)都必須配有備用電池，避免如家中突然停電，室內信息無(wú)法告知用戶(hù)等情況給用戶(hù)造成的損失。紅外網(wǎng)絡(luò )系統的主節點(diǎn)硬件結構如圖3所示。

　　考慮到未來(lái)家居紅外網(wǎng)絡(luò )的擴展性、節能性和價(jià)格，從節點(diǎn)選用超低功耗、高性能單片機C8051F964作為系統MCU。具有64 kB的片內Flash和8 448字節片內RAM、10位300 ksps或12位75 ksps單端ADC、SMBUS/I2C總線(xiàn)、增強型硬件UART、4個(gè)通用16位定時(shí)器等特性。配有紅外收發(fā)模塊HSDL-3020的從節點(diǎn)與家用電器、燈具、三表等家居設備相連，實(shí)現命令控制或數據傳輸。紅外網(wǎng)絡(luò )系統的從節點(diǎn)硬件結構如圖4所示。

　　2.2 紅外收發(fā)模塊

　　HSDL-3020是安華高科技公司推出的紅外收發(fā)模塊。該模塊體積小、傳輸速度快，通過(guò)該模塊，可以將串口中的邏輯信號轉換成紅外信號并發(fā)送到空氣中。HSDL-3020為3紅外收發(fā)頭封裝，它的遙控命令(紅外光波長(cháng)940 nm)和數據傳輸(紅外光波長(cháng)874 nm)功能得到了充分的發(fā)揮。它完全兼容IrDA1.4物理層的低功耗規格，具有調制解調功能，傳輸速率9.6 kbps～4.0 Mbps，并具備廣角和高輻射強度，不對人眼造成任何傷害，數據傳輸距離最高可達14 m。HSDL-3020可以處于睡眠模式以達到最低的功率消耗。在睡眠模式下，Pin二極管將會(huì )被閑置，只產(chǎn)生極少的光電流，這些光電流甚至比周?chē)胀ü膺€要低，所以低功耗效果非常理想。

　　2.3 紅外收發(fā)模塊的設計

　　MCU和紅外收發(fā)模塊HSDL-3020可通過(guò)UART接口直接連接。HSDL-3020的數據輸入端TxD_RC兼容CMOS電平，并且它提供的紅外通信端口(ICP)支持雙通道SIR數據，其傳輸速率為115.2 kbps，也支持FIR數據，傳輸速率高達4 Mbps。圖5為HSDL-3020與MCU的硬件接口連接圖。

　　其中，MCU與HSDL-3020的“紅外數據”只可通過(guò)UART接口進(jìn)行發(fā)送，而“遙控命令”既可以通過(guò)UART接口，也可通過(guò)通用I/O口進(jìn)行發(fā)送。對SD和TxD_IR兩引腳輸入不同的時(shí)序邏輯，可以改變HSDL-3020的通信方式，實(shí)現SIR、MIR及FIR三種方式的切換。通信過(guò)程中應注意的是，雖然在硬件上數據傳輸和遙控命令可以同時(shí)進(jìn)行，但在軟件上需要解決空中傳輸數據混淆和丟失的問(wèn)題。

　　3 智能家居紅外網(wǎng)絡(luò )的建立

　　3.1 IrDA通信協(xié)議簡(jiǎn)介

　　紅外數據協(xié)會(huì )(Infrared Data Association，IrDA)是1993年6月成立的一個(gè)獨立組織，它為短距離紅外無(wú)線(xiàn)數據通信制定了一系列開(kāi)放的標準。IrDA標準包括3個(gè)必須的協(xié)議層：物理層協(xié)議(IrPHY)、鏈路建立協(xié)議(IrLAP)、鏈路管理協(xié)議(IrLMP)。除此之外，還有一些適用于特殊的應用模式的可選層。IrDA的目標是制定能以合理且較小的代價(jià)實(shí)現標準和協(xié)議，以推進(jìn)紅外通信的發(fā)展。IrDA協(xié)議棧結構圖如圖6所示。

　　當今IrDA紅外通信方式的通信速度因IrDA物理層的規范方式而異，共分為5大類(lèi)SIR、MIR、FIR、VFIR和UFIR。SIR通信速度為115 kbps，用于文字信息的傳輸。MIR和FIR方式的通信速度分別為1 Mbps和4 Mbps，可使文字信息傳輸速度更快，也可傳輸音頻信息，如MP3、WMA等格式的文件。VFIR和UFIR方式的通信速度分別為16 Mbps和100 Mbps，主要用于圖像數據信息傳輸。在智能家居領(lǐng)域中，圖像傳輸比較少，故采用前3種通信方式。

　　3.2 紅外編碼格式

　　IrDA協(xié)議的物理層制定了規范的編碼格式。IrDA物理層1.0版本應用于SIR和MIR通信方式。它基于異步串行通信接口，將從UART接收到的數據進(jìn)行了編碼，將數據“0”變換成3/16位速率或1.6μs的窄脈沖，而數據“1”變換成不發(fā)送脈沖。IrDA物理層1.0版的幀結構如圖7所示。

　　其中，兩個(gè)STA為起始位，每個(gè)STA由01111110組成;后面的內容是上層IrLAP協(xié)議加載來(lái)的數據，包括8位地址位、8位控制位和n×8位數據位(nMAX=256);FCS為16位的CRC校驗位;STO為停止位，由01111110組成。

　　IrDA物理層1.1版本應用于FIR通信方式。它采用4PPM調制方法，以500 ns為固定時(shí)隙并將其4等分，根據脈沖在時(shí)隙的位置來(lái)確定數字模式。4PPM調制方法具有4 Mbps的傳輸速率，在此速率下，封裝包是以同步方式傳送的。IrDA物理層1.1版的幀結構如圖8所示。

　　其中，16PA為16位的引導碼1000 0000 1010 1000;一個(gè)STA起始位由0000 1100 0000 1100 0110 0000 01100000組成;后面的內容同樣是上層IrLAP協(xié)議加載來(lái)的數據，包括8位地址位、8位控制位和n×8位數據位(nMAX=256);FCS為32位的CRC校驗位;STO為停止位，由0000 1100 0000 1100 0000 0110 0000 0110組成。

　　3.3 紅外網(wǎng)絡(luò )的建立過(guò)程

　　紅外網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)由IrDA通信協(xié)議的IrLAP完成鏈路連接，IrLAP在紅外信道上提供了一種可靠的數據傳輸機制。在網(wǎng)絡(luò )中，各收發(fā)模塊以紅外方式通信時(shí)實(shí)現尋址、地址沖突處理、恢復機制、工作站的發(fā)現/識別、連接建立、主站競爭、媒體接入控制等功能。在面向連接的業(yè)務(wù)中，IrLAP為所支持的數據鏈路提供了業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，可選的數據塊大小為64～2 048位，可選波特率為9 600～4 000 000 bps，等待時(shí)間閾值為3 s，最大探詢(xún)時(shí)間為50～500 ms。

　　IrLAP定義了3種幀：

　?、贌o(wú)編號幀。用于建立和釋放數據鏈路，報告過(guò)程錯誤，傳送數據。

　?、诒O督幀。用于鏈路管理，如應答接收幀、傳輸站點(diǎn)狀態(tài)報告幀序列錯誤。

　?、坌畔?。用于傳輸信息。

　　IrLAP的工作過(guò)程包括地址沖突處理、建立連接、喚醒、信息交換、重置連接、終止連接。IrLAP工作過(guò)程如圖9所示。

　　一旦通過(guò)IrLAP建立了鏈路連接，鏈路的使用和應用參數的設定將由IrLMP協(xié)議來(lái)管理。IrLMP的工作過(guò)程包括LSAP(鏈路業(yè)務(wù)接入點(diǎn))連接控制、站點(diǎn)控制、IrLAP連接控制等。紅外站點(diǎn)間的通信出現碰撞時(shí)，用超時(shí)重傳方法來(lái)解決。

　　IrLAN是基于上述協(xié)議的高層協(xié)議，支持IrDA與其他已有局域網(wǎng)的互連?；贗rLAN協(xié)議的移動(dòng)站的工作方式有3種模式：接入點(diǎn)、對等式、主機式。IrLAN使用TinyTP協(xié)議來(lái)分割和組裝分組并進(jìn)行流量控制。

　　結語(yǔ)

　　本文采用漫射紅外的方式，完成了家中局域網(wǎng)的建立，實(shí)現了紅外通信功能。無(wú)論是控制命令的響應速度，還是紅外數據的傳輸速度，都達到了理想的效果。這樣，遙控器或控制終端可以對家中的所有電器設備進(jìn)行控制。例如，可對智能家居系統編制情景功能如“夜間模式”，即可自動(dòng)關(guān)閉窗簾，開(kāi)啟客廳燈光，打開(kāi)電視機、空調、音響，并將家庭報警設備設置為主人在家的模式，防止誤報——無(wú)需繁瑣地逐個(gè)操作各種電器及設備。