漫射紅外技術(shù)的智能家居無線局域網(wǎng)設(shè)計(jì)

摘要：分析了紅外技術(shù)在短距離無線通信中的優(yōu)勢，并將其應(yīng)用在智能家居局域網(wǎng)中；結(jié)合安華高科技公司的HSDL-3020紅外收發(fā)模塊搭建了硬件電路，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的主從節(jié)點(diǎn)；介紹了網(wǎng)絡(luò)組建的過程，包括IrDA協(xié)議棧結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)編碼格式、鏈路連接、網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制等。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對家居設(shè)備的統(tǒng)一管理，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：漫射紅外技術(shù)；智能家居；HSDL-3020；IrDA

引言
    智能家居是融合了自動(dòng)化控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)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(tǒng)。智能家居將讓用戶用更方便的手段來管理家庭設(shè)備，比如通過觸摸屏、無線遙控器、電話、互聯(lián)網(wǎng)或者語音識別控制家用設(shè)備，更可以執(zhí)行場景操作，使多個(gè)設(shè)備形成聯(lián)動(dòng)。另一方面，智能家居內(nèi)的各種設(shè)備相互間可以通信，不需要用戶指揮也能根據(jù)不同的狀態(tài)互動(dòng)運(yùn)行，從而給用戶帶來最大程度的高效、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，它利用紅外線作為載體，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在日常生活中，紅外技術(shù)的應(yīng)用隨處可見，如通過紅外遙控器對電視機(jī)、空調(diào)等家用電器進(jìn)行控制和在耳機(jī)上以紅外的方式進(jìn)行音頻傳輸?shù)?。在智能家居控制領(lǐng)域，紅外技術(shù)與射頻和藍(lán)牙技術(shù)相比有它自身的優(yōu)勢。一方面，從應(yīng)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(yán)格，可提供的無線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(lán)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(jié)省大量成本。近幾十年來，隨著編碼調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，紅外無線數(shù)據(jù)傳輸率也越來越高，可以說紅外傳輸技術(shù)已經(jīng)成熟。另外，它穩(wěn)定性高、私密性強(qiáng)，所以，非常適合用在短距離無線通信智能家居控制系統(tǒng)中。

1 智能家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
1．1 總體結(jié)構(gòu)
    在室內(nèi)紅外網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)控制器配備用于光電信號相互轉(zhuǎn)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(nèi)的各終端節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，形成對目標(biāo)的監(jiān)測區(qū)域。每個(gè)房間分別裝有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)控制器和若干個(gè)從節(jié)點(diǎn)控制器，這些控制器的尺寸很小，可以安裝在室內(nèi)任何區(qū)域，工作范圍又僅限在自己的屋內(nèi)，所以不受相鄰屋子系統(tǒng)操作的干擾。主節(jié)點(diǎn)控制器之間以電力線形式連接，實(shí)現(xiàn)家庭中各居室的相互通信。
    主節(jié)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(jié)點(diǎn)控制器通過外部網(wǎng)絡(luò)，把數(shù)據(jù)從監(jiān)測區(qū)域發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，然后利用各種應(yīng)用軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過各種顯示方式提供給終端用戶。用戶和遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元也可以通過外部網(wǎng)絡(luò)，與主節(jié)點(diǎn)控制器進(jìn)行交互，如向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)布查詢請求和控制命令，并接收返回的信息。通過外部網(wǎng)絡(luò)控制主節(jié)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，光信號載體就布滿了整個(gè)房間。這樣，從節(jié)點(diǎn)控制器接收輻射光的視覺角度寬，而且接收是適合各個(gè)方向的。因此，主從節(jié)點(diǎn)的發(fā)射模塊和接收模塊不需要有直接的照射光線，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(shù)據(jù)。紅外無線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 室內(nèi)結(jié)構(gòu)
    在充滿漫射紅外光的住宅內(nèi)，紅外遙控器和主節(jié)點(diǎn)控制器都具有專用的身份識別碼、電器選擇碼。紅外遙控器還具有功能鍵代碼，當(dāng)按下相應(yīng)鍵時(shí)，便發(fā)射出紅外光，光線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(shè)備都安裝一個(gè)從節(jié)點(diǎn)控制器，這些從節(jié)點(diǎn)控制器在出廠時(shí)不帶有自身的編碼地址信息，需用戶輸入指定的身份地址編碼，從節(jié)點(diǎn)控制器通過自學(xué)習(xí)過程，存儲(chǔ)該編碼。使用過程中，從節(jié)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(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作，并在完成之后發(fā)出反饋信號。室內(nèi)的不同控制器分別實(shí)現(xiàn)了其自身功能，室內(nèi)智能家居結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    室內(nèi)智能家居向用戶提供家電統(tǒng)一管理、照明控制、供電控制、室內(nèi)無線遙控、防盜報(bào)警、家居安全保障、溫度光照檢測與調(diào)節(jié)及GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，并結(jié)合其他系統(tǒng)為住戶提供一個(gè)溫馨舒適、安全節(jié)能、先進(jìn)易用的家居環(huán)境，讓住戶充分享受到現(xiàn)代科技給居家生活帶來的安全、舒適、便利與精彩。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
    主節(jié)點(diǎn)選用STM32L151芯片作為系統(tǒng)MCU。該芯片是意法半導(dǎo)體公司提供的超低功耗、高數(shù)據(jù)安全性、高效能的ARMCortex-M3系列芯片。由于本系統(tǒng)采用漫射紅外原理，單獨(dú)的紅外光不足以構(gòu)成室內(nèi)紅外光網(wǎng)，故主節(jié)點(diǎn)采用紅外收發(fā)模塊點(diǎn)陣增大光強(qiáng)和光照范圍，增強(qiáng)室內(nèi)紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｖ鞴?jié)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，無論是主節(jié)點(diǎn)還是從節(jié)點(diǎn)都必須配有備用電池，避免如家中突然停電，室內(nèi)信息無法告知用戶等情況給用戶造成的損失。紅外網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    考慮到未來家居紅外網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性、節(jié)能性和價(jià)格，從節(jié)點(diǎn)選用超低功耗、高性能單片機(jī)C8051F964作為系統(tǒng)MCU。具有64 kB的片內(nèi)Flash和8 448字節(jié)片內(nèi)RAM、10位300 ksps或12位75 ksps單端ADC、SMBUS／I2C總線、增強(qiáng)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(jié)點(diǎn)與家用電器、燈具、三表等家居設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)命令控制或數(shù)據(jù)傳輸。紅外網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的從節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)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，通過該模塊，可以將串口中的邏輯信號轉(zhuǎn)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940 nm)和數(shù)據(jù)傳輸(紅外光波長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(guī)格，具有調(diào)制解調(diào)功能，傳輸速率9．6 kbps～4．0 Mbps，并具備廣角和高輻射強(qiáng)度，不對人眼造成任何傷害，數(shù)據(jù)傳輸距離最高可達(dá)14 m。HSDL-3020可以處于睡眠模式以達(dá)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圍普通光還要低，所以低功耗效果非常理想。
2．3 紅外收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)
    MCU和紅外收發(fā)模塊HSDL-3020可通過UART接口直接連接。HSDL-3020的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，其傳輸速率為115．2 kbps，也支持FIR數(shù)據(jù)，傳輸速率高達(dá)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(shù)據(jù)”只可通過UART接口進(jìn)行發(fā)送，而“遙控命令”既可以通過UART接口，也可通過通用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(xiàn)SIR、MIR及FIR三種方式的切換。通信過程中應(yīng)注意的是，雖然在硬件上數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)混淆和丟失的問題。

3 智能家居紅外網(wǎng)絡(luò)的建立
3．1 IrDA通信協(xié)議簡介
    紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)(Infrared Data Association，IrDA)是1993年6月成立的一個(gè)獨(dú)立組織，它為短距離紅外無線數(shù)據(jù)通信制定了一系列開放的標(biāo)準(zhǔn)。IrDA標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用模式的可選層。IrDA的目標(biāo)是制定能以合理且較小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，以推進(jìn)紅外通信的發(fā)展。IrDA協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

    當(dāng)今IrDA紅外通信方式的通信速度因IrDA物理層的規(guī)范方式而異，共分為5大類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(shù)據(jù)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(guī)范的編碼格式。IrDA物理層1．0版本應(yīng)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(shù)據(jù)進(jìn)行了編碼，將數(shù)據(jù)“0”變換成3／16位速率或1．6μs的窄脈沖，而數(shù)據(jù)“1”變換成不發(fā)送脈沖。IrDA物理層1．0版的幀結(jié)構(gòu)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(nèi)容是上層IrLAP協(xié)議加載來的數(shù)據(jù)，包括8位地址位、8位控制位和n×8位數(shù)據(jù)位(nMAX=256)；FCS為16位的CRC校驗(yàn)位；STO為停止位，由01111110組成。
    IrDA物理層1．1版本應(yīng)用于FIR通信方式。它采用4PPM調(diào)制方法，以500 ns為固定時(shí)隙并將其4等分，根據(jù)脈沖在時(shí)隙的位置來確定數(shù)字模式。4PPM調(diào)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(jié)構(gòu)如圖8所示。

    其中，16PA為16位的引導(dǎo)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(nèi)容同樣是上層IrLAP協(xié)議加載來的數(shù)據(jù)，包括8位地址位、8位控制位和n×8位數(shù)據(jù)位(nMAX=256)；FCS為32位的CRC校驗(yàn)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)的建立過程
    紅外網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(shù)據(jù)傳輸機(jī)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(xiàn)尋址、地址沖突處理、恢復(fù)機(jī)制、工作站的發(fā)現(xiàn)／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(shù)據(jù)鏈路提供了業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，可選的數(shù)據(jù)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，最大探詢時(shí)間為50～500 ms。
    IrLAP定義了3種幀：
    ①無編號幀。用于建立和釋放數(shù)據(jù)鏈路，報(bào)告過程錯(cuò)誤，傳送數(shù)據(jù)。
    ②監(jiān)督幀。用于鏈路管理，如應(yīng)答接收幀、傳輸站點(diǎn)狀態(tài)報(bào)告幀序列錯(cuò)誤。
    ③信息幀。用于傳輸信息。
    IrLAP的工作過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工作過程如圖9所示。

    一旦通過IrLAP建立了鏈路連接，鏈路的使用和應(yīng)用參數(shù)的設(shè)定將由IrLMP協(xié)議來管理。IrLMP的工作過程包括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(xiàn)碰撞時(shí)，用超時(shí)重傳方法來解決。
    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。基于IrLAN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(jī)式。IrLAN使用TinyTP協(xié)議來分割和組裝分組并進(jìn)行流量控制。

結(jié)語
    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(xiàn)了紅外通信功能。無論是控制命令的響應(yīng)速度，還是紅外數(shù)據(jù)的傳輸速度，都達(dá)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(shè)備進(jìn)行控制。例如，可對智能家居系統(tǒng)編制情景功能如“夜間模式”，即可自動(dòng)關(guān)閉窗簾，開啟客廳燈光，打開電視機(jī)、空調(diào)、音響，并將家庭報(bào)警設(shè)備設(shè)置為主人在家的模式，防止誤報(bào)——無需繁瑣地逐個(gè)操作各種電器及設(shè)備。