基于无线射频模块的智能家居控制系统及其方法与流程

本发明涉及电子信息通信技术领域，尤其涉及一种基于无线射频模块的智能家居控制系统及其方法。

背景技术：

现有技术中，智能家居控制系统产品的稳定性通常不强，兼容性不够成熟。在整个家庭中，单个家庭网络系统通常是一个巨大的“信息孤岛”，无法实现与外界的信息沟通，用户在室外无法对家中的终端节点进行控制。

技术实现要素：

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种结构简单、操作方便且在室外也能控制家中的终端节点的基于无线射频模块的智能家居控制系统及其方法。

为了达到上述目的，本发明一种基于无线射频模块的智能家居控制系统，包括

用于人机交互且设置在上位机内的人机界面；

作为家庭外部网络的因特网；

作为家庭内部网络的zigbee网络；

为家庭内部各个终端设备之间的信息提供统一网络平台的家庭网关；

用于管理家庭内部网络和家庭外部网络的主节点；

多个负责数据接收和发送的终端节点；

所述家庭网关上设有zigbee接口和多个远程智能控制接口，所述上位机通过因特网与多个远程智能控制接口相连，所述家庭网关通过zigbee接口与主节点交互连接，且所述主节点通过zigbee网络与多个终端节点相连；所述上位机通过因特网给家庭网关发送指令信息，所述家庭网关将接收到的上位机指令信息转换为主节点能解读的指令数据后发送给主节点；

所述主节点包括第一单片机和射频芯片，且每个终端节点上均预存有参考代码数据；所述家庭网关通过zigbee接口与第一单片机交互连接，所述第一单片机与射频芯片交互连接；所述家庭网关将指令数据发送给第一单片机之间，射频芯片将指令数据发送给对应的终端节点，对应的终端节点对比指令数据和参考代码数据，若指令数据与参考代码数据一致，终端节点接收到指令数据后控制相应的终端设备执行对应的指令，且终端节点将终端设备的执行结果依次发送给射频芯片、第一单片机和家庭网关，且处理后的结果数据通过因特网返回给人机界面，且结果数据可查询或确认控制命令是否被执行；若指令数据与参考代码数据不一致，则终端节点依次通过射频芯片和第一单片机告知家庭网关重新发送。

其中，所述家庭网关包括arm处理器、因特网控制器、ram存储器、flash存储器和第一电源，所述因特网控制器、ram存储器和flash存储器均与arm处理器交互连接，所述第一电源与arm处理器的电源端电连接，且所述第一电源给arm处理器供电；所述远程智能控制接口设置在因特网控制器上，且所述因特网控制器与上位机之间采用的协议为轻量级网络协议。

其中，所述主节点还包括仿真接口、第二电源、多个按键和多个led指示灯，所述仿真接口与第一单片机交互连接，且所述第一单片机通过仿真接口进行功能维护和系统升级；所述第二电源分别与第一单片机和射频芯片的电源端电连接，且所述第二电源给第一单片机和射频芯片供电；所述多个按键均与第一单片机的输入端电连接，所述第一单片机的输出端与多个led指示灯电连接，且多个led指示灯分别指示上电、arm通讯、发射接收及出错报警。

其中，每个终端节点均包括第二单片机、传感器和第三电源，所述射频芯片与第二单片机交互连接，所述传感器与第二单片机的输入端电连接，每个第二单片机与对应的终端设备交互连接，所述第三电源与mcu控制的电源端和终端设备的电源端电连接，且所述第三电源分别给第二单片机和终端设备供电。

其中，所述第一电源、第二电源和第三电源均包括变压器和7805稳压电路。

其中，所述arm处理器的型号为lpc2200，所述因特网控制器的型号为rtl8019as，所述第一单片机的型号为mc9s08gb60，所述射频芯片的型号为mc13192，且所述第二单片机的型号为mc9s08gt16。

为了实现上述目的，本发明还提供一种基于无线射频模块的智能家居控制方法，包括主节点控制方法和终端节点控制方法，所述主节点控制方法包括以下具体步骤：

步骤a1，系统开始后，主节点初始化；

步骤a2，建立主节点网络；

步骤a3，通过仿真接口进行网络维护和更新；

步骤a4，判断第一单片机是否有请求，如果是，则执行步骤a5；如果不是，则执行步骤a3；

步骤a5，判断是arm处理器还是射频芯片有请求，若是arm处理器有请求，则执行步骤a61；若是射频芯片有请求，则执行步骤a62；

步骤a61，第一单片机通过i2c串行通讯接口接收请求数据；

步骤a62，第一单片机通过spi串口接收请求数据；

步骤a7，第一单片机判定是否发送完毕，若发送完毕，则返回步骤a3；若发送未完毕，则重新发送数据；

所述终端节点控制方法包括以下具体步骤：

步骤b1，系统开始后，终端节点初始化；

步骤b2，主节点网络允许终端节点加入网络；

步骤b3，终端节点运行程序；

步骤b4，判定第二单片机是否有请求，如果是，则执行步骤b5；如果不是，则执行步骤b3；

步骤b5，第二单片机通过spi串口接收射频芯片的指令数据，第二单片机判定是否接收完毕，如果是，则执行步骤b6；如果否，则第二单片机继续接收指令数据；

步骤b6，第二单片机对参考代码数据进行查表验证代码，如果请求的指令数据符合参考代码数据要求，则执行步骤b71；如果请求的指令数据不符合参考代码数据要求，则执行步骤b72；

步骤b71，第二单片机从寄存器中调用相应的指令数据，并将指令数据发送给主节点后返回步骤b3；

步骤b72，第二单片机根据指令数据代码值调用相应的子程序实现代码功能；

步骤b8，判定是否需要执行指令数据，如果需要执行，则执行步骤b9；如果不需要执行，则返回步骤b72；

步骤b9，将确认执行的指令数据发送给主节点后返回步骤b3。

其中，所述主节点控制方法的步骤a2中设有主节点组建网络，具体过程为：

步骤a21，主节点上电；

步骤a22，射频芯片的物理层扫描信道，判定是否收到信标，如果收到，则执行终端节点组建网络；如果没有收到，则执行步骤a23；

步骤a23，接收主节点加入网络请求；

步骤a24，第一单片机判定短地址空间是否存满，如果已存满，则加入网络失败，主节点进入休眠状态；如果未存满，则执行步骤a25；

步骤a25，第一单片机分配短地址；

步骤a26，第一单片机发送入网响应，且第一单片机允许主节点加入网络。

其中，所述终端节点控制方法的步骤b2中设有终端节点组建网络，具体过程为：

步骤b21，终端节点上电；

步骤b22，射频芯片的物理层扫描信道，判定是否收到信标，如果收到，则执行步骤b23，如果没收到，则执行主节点组建网络；

步骤b23，射频芯片监听信标，选择主节点加入zigbee网络，

步骤b24，发送入网请求，若收到请求响应，则成功加入zigbee网络；若未收到请求响应，则判定是否为为被申请的主节点，若是，则返回步骤b23；若不是，则执行步骤b25；

步骤b25，终端节点加入网络失败，终端节点进入休眠状态。

其中，所述步骤a61包括以下具体步骤：

步骤a611，arm处理器发出数据请求帧，第一单片机通过i2c串行通讯接口接收并产生第一应答帧，arm处理器与第一单片机之间的通信协议校验第一帧数据是否正确，如果正确，则执行步骤612；如果不正确，则请求重新发送，并返回步骤a3；

步骤a612，arm处理器将第一应答帧转换为相应的代码，且查询内部存储的代码表格，如果查表表明代码正确，则执行步骤a613；如果查表表明代码错误，则请求重新发送，并返回步骤a3；

步骤a613，第一单片机通过终端设备id获取终端设备的网络地址；

步骤a614，第一单片机将此代码发送给相应的终端设备；

所述步骤a62包括以下具体步骤：

步骤a621，射频芯片发出数据请求帧，第一单片机通过spi串口接收是否产生第二应答帧，如果产生，则执行步骤a622；如果未产生，则第一单片机提醒信息错误，并请求重发，如果发送超时，则发送错误报告，且执行步骤a622；如果发送准时，则执行步骤a614；

步骤a622，第一单片机将数据发送给arm处理器，并执行步骤a7。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明的基于无线射频模块的智能家居控制系统及其方法，通过人机界面配合因特网、家庭网关、主节点和终端节点，家庭网关管理为家庭内部各个终端设备之间的信息提供统一网络平台，因特网作为家庭外部网络，zigbee网络作为家庭内部网络，主节点用于管理家庭内部网络和家庭外部网络，终端节点用于负责数据接收和发送，实现用户对系统的可视化控制，使得操作者可以通过任何一台连接到因特网的pc机或智能手机可以访问到上位机的人机界面，对家中的终端节点进行数据访问或者控制。

附图说明

图1为本发明基于无线射频模块的智能家居控制系统的方框图；

图2为本发明基于无线射频模块的智能家居控制系统中家庭网关的方框图；

图3为本发明基于无线射频模块的智能家居控制系统中主节点的方框图；

图4为本发明基于无线射频模块的智能家居控制系统中终端节点的方框图；

图5为本发明基于无线射频模块的智能家居控制系统的控制方法中主节点控制方法的方框图；

图6为本发明基于无线射频模块的智能家居控制系统的控制方法中终端节点控制方法的方框图；

图7为本发明基于无线射频模块的智能家居控制系统的控制方法中主节点组建网络的方框图；

图8为本发明基于无线射频模块的智能家居控制系统的控制方法中终端节点组建网络的方框图。

主要元件符号说明如下：

10、人机界面11、因特网

12、zigbee网络13、家庭网关

14、主节点15、终端节点

16、终端设备

131、zigbee接口132、远程智能控制接口

133、arm处理器134、因特网控制器

135、ram存储器136、flash存储器

137、第一电源138、usb接口

141、第一单片机142、射频芯片

143、仿真接口144、第二电源

145、按键146、led指示灯

151、第二单片机152、传感器

153、第三电源154、调试口。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

参阅图1-3，本发明一种基于无线射频模块的智能家居控制系统，包括

用于人机交互且设置在上位机内的人机界面10；

作为家庭外部网络的因特网11；

作为家庭内部网络的zigbee网络12；

为家庭内部各个终端设备16之间的信息提供统一网络平台的家庭网关13；

用于管理家庭内部网络和家庭外部网络的主节点14；

多个负责数据接收和发送的终端节点15；

家庭网关13上设有zigbee接口131和多个远程智能控制接口132，上位机通过因特网11与多个远程智能控制接口132相连，家庭网关13通过zigbee接口131与主节点14交互连接，且主节点14通过zigbee网络12与多个终端节点15相连；上位机通过因特网11给家庭网关13发送指令信息，家庭网关13将接收到的上位机指令信息转换为主节点14能解读的指令数据后发送给主节点14；

主节点14包括第一单片机141和射频芯片142，且每个终端节点15上均预存有参考代码数据；家庭网关13通过zigbee接口131与第一单片机141交互连接，第一单片机141与射频芯片142交互连接；家庭网关13将指令数据发送给第一单片机141之间，射频芯片142将指令数据发送给对应的终端节点15，对应的终端节点15对比指令数据和参考代码数据，若指令数据与参考代码数据一致，终端节点15接收到指令数据后控制相应的终端设备16执行对应的指令，且终端节点15将终端设备16的执行结果依次发送给射频芯片142、第一单片机141和家庭网关13，且处理后的结果数据通过因特网11返回给人机界面10，且结果数据可查询或确认控制命令是否被执行；若指令数据与参考代码数据不一致，则终端节点15依次通过射频芯片142和第一单片机141告知家庭网关13重新发送。

zigbee网络12工作在2.4ghz的频段上；第一单片机141选择mc9s08gb60是根据智能家居的特点及成本考虑，智能家居的内部无线网络选择了星形拓扑结构，相对于树形和网型的网络拓扑结构的主节点14比较简单，因此主节点14的处理器选择了mc9s08gb60，该处理器内部为哈佛结构指令、流水线操作、单指令周期、64kflashmemory、spi和i²c串行通讯接口等，完全能够满足星形网络主节点14对处理器的要求；射频芯片142采用的mc13192是一款适用于zigbee产品的rf器件。mc13192只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低，mc13192的选择性和敏感性指数超过了ieee802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。模块大小仅占1平方英寸，可以灵活的嵌入到既有的产品中，轻而易举实现无线感测和监控网络的功能。

请参阅图2，家庭网关13包括arm处理器133、因特网控制器134、ram存储器135、flash存储器136和第一电源137，因特网控制器134、ram存储器135和flash存储器136均与arm处理器133交互连接，第一电源137与arm处理器133的电源端电连接，且第一电源137给arm处理器133供电；远程智能控制接口132设置在因特网控制器134上，且因特网控制器134与上位机之间采用的协议为轻量级网络协议。当然，家庭网关13还包括usb接口138，插入usb数据线即可与外部设备连接。

采用lpc2200系列芯片作为arm处理器133嵌入式芯片设计此家庭网关13，避免本发明的系统对传统pc机的依赖问题；第一电源137采用变压器和7805稳压电路的结构使得第一电源137获得较大的功率和稳定的直流电压，内部结构的压敏电阻znr起到防止过电压吸收浪涌的作用，安规电容用来吸收尖峰过电压，消除巨大的脉冲，并过滤高频噪音，克服压敏电阻的不足，电解电容和磁片电容起到滤波作用。

请参阅图3，主节点14还包括仿真接口143、第二电源144、多个按键145和多个led指示灯146，仿真接口143与第一单片机141交互连接，且第一单片机141通过仿真接口143进行功能维护和系统升级；第二电源144分别与第一单片机141和射频芯片142的电源端电连接，且第二电源144给第一单片机141和射频芯片142供电；多个按键145均与第一单片机141的输入端电连接，第一单片机141的输出端与多个led指示灯146电连接，且多个led指示灯146分别指示上电、arm通讯、发射接收及出错报警。

仿真接口143是第一单片机141与pc机等具有时时在线仿真功能的外围设备之间的通信口，用户可以通过此接口对节点进行功能维护和系统升级；第二电源144与第一电源137的结构原理一样；按键145用于检测对终端节点15的操作是否正确；多个led指示灯146的作用是用来进行测试。

请参阅图4，每个终端节点15均包括第二单片机151、传感器152和第三电源153，射频芯片142与第二单片机151交互连接，传感器152与第二单片机151的输入端电连接，每个第二单片机151与对应的终端设备16交互连接，第三电源153与mcu控制的电源端和终端设备16的电源端电连接，且第三电源153分别给第二单片机151和终端设备16供电。终端节点15还设有调试口154，用于对终端节点15的调试。

由于终端节点15设备相对于主节点14的功能要简单得多，不需要对网络进行管理，它只负责数据的接收和发送，传感器152数据的采集处理以及终端设备16自身的控制管理，因此选用相对复杂度较低，价格便宜的控制芯片第二单片机151mc9s08gt16，来降低整个网络的成本；第三电源153与第一电源137和第二电源144的结构原理一样。

本实施例中，第一电源137、第二电源144和第三电源153均包括变压器和7805稳压电路。

本实施例中，arm处理器133的型号为lpc2200，因特网控制器134的型号为rtl8019as，第一单片机141的型号为mc9s08gb60，射频芯片142的型号为mc13192，且第二单片机151的型号为mc9s08gt16。

请参阅图5，为了实现上述目的，本发明还提供一种基于无线射频模块的智能家居控制方法，包括主节点控制方法和终端节点控制方法，主节点控制方法包括以下具体步骤：

步骤sa1，系统开始后，主节点初始化；

步骤sa2，建立主节点网络；

步骤sa3，通过仿真接口进行网络维护和更新；

步骤sa4，判断第一单片机是否有请求，如果是，则执行步骤sa5；如果不是，则执行步骤sa3；

步骤sa5，判断是arm处理器还是射频芯片有请求，若是arm处理器有请求，则执行步骤sa61；若是射频芯片有请求，则执行步骤sa62；

步骤sa61，第一单片机通过i2c串行通讯接口接收请求数据；

步骤sa62，第一单片机通过spi串口接收请求数据；

步骤sa7，第一单片机判定是否发送完毕，若发送完毕，则返回步骤sa3；若发送未完毕，则重新发送数据；

请参阅图6，终端节点控制方法包括以下具体步骤：

步骤sb1，系统开始后，终端节点初始化；

步骤sb2，主节点网络允许终端节点加入网络；

步骤sb3，终端节点运行程序；

步骤sb4，判定第二单片机是否有请求，如果是，则执行步骤sb5；如果不是，则执行步骤sb3；

步骤sb5，第二单片机通过spi串口接收射频芯片的指令数据，第二单片机判定是否接收完毕，如果是，则执行步骤sb6；如果否，则第二单片机继续接收指令数据；

步骤sb6，第二单片机对参考代码数据进行查表验证代码，如果请求的指令数据符合参考代码数据要求，则执行步骤sb71；如果请求的指令数据不符合参考代码数据要求，则执行步骤sb72；

步骤sb71，第二单片机从寄存器中调用相应的指令数据，并将指令数据发送给主节点后返回步骤sb3；

步骤sb72，第二单片机根据指令数据代码值调用相应的子程序实现代码功能；

步骤sb8，判定是否需要执行指令数据，如果需要执行，则执行步骤sb9；如果不需要执行，则返回步骤sb72；

步骤sb9，将确认执行的指令数据发送给主节点后返回步骤sb3。

请参阅图7，主节点控制方法的步骤sa2中设有主节点组建网络，具体过程为：

步骤sa21，主节点上电；

步骤sa22，射频芯片的物理层扫描信道，判定是否收到信标，如果收到，则执行终端节点组建网络；如果没有收到，则执行步骤sa23；

步骤sa23，接收主节点加入网络请求；

步骤sa24，第一单片机判定短地址空间是否存满，如果已存满，则加入网络失败，主节点进入休眠状态；如果未存满，则执行步骤sa25；

步骤sa25，第一单片机分配短地址；

步骤sa26，第一单片机发送入网响应，且第一单片机允许主节点加入网络。

请参阅图8，终端节点控制方法的步骤sb2中设有终端节点组建网络，具体过程为：

步骤sb21，终端节点上电；

步骤sb22，射频芯片的物理层扫描信道，判定是否收到信标，如果收到，则执行步骤sb23，如果没收到，则执行主节点组建网络；

步骤sb23，射频芯片监听信标，选择主节点加入zigbee网络，

步骤sb24，发送入网请求，若收到请求响应，则成功加入zigbee网络；若未收到请求响应，则判定是否为为被申请的主节点，若是，则返回步骤sb23；若不是，则执行步骤sb25；

步骤sb25，终端节点加入网络失败，终端节点进入休眠状态。

本实施例中，步骤sa61包括以下具体步骤：

步骤sa611，arm处理器发出数据请求帧，第一单片机通过i2c串行通讯接口接收并产生第一应答帧，arm处理器与第一单片机之间的通信协议校验第一帧数据是否正确，如果正确，则执行步骤s612；如果不正确，则请求重新发送，并返回步骤sa3；

步骤sa612，arm处理器将第一应答帧转换为相应的代码，且查询内部存储的代码表格，如果查表表明代码正确，则执行步骤sa613；如果查表表明代码错误，则请求重新发送，并返回步骤sa3；

步骤sa613，第一单片机通过终端设备id获取终端设备的网络地址；

步骤sa614，第一单片机将此代码发送给相应的终端设备；

步骤sa62包括以下具体步骤：

步骤sa621，射频芯片发出数据请求帧，第一单片机通过spi串口接收是否产生第二应答帧，如果产生，则执行步骤sa622；如果未产生，则第一单片机提醒信息错误，并请求重发，如果发送超时，则发送错误报告，且执行步骤sa622；如果发送准时，则执行步骤sa614；

步骤sa622，第一单片机将数据发送给arm处理器，并执行步骤sa7。

本发明的优势在于：

与现有技术相比，本发明的基于无线射频模块的智能家居控制方法，通过人机界面配合因特网、家庭网关、主节点和终端节点，家庭网关管理为家庭内部各个终端设备之间的信息提供统一网络平台，因特网作为家庭外部网络，zigbee网络作为家庭内部网络，主节点用于管理家庭内部网络和家庭外部网络，终端节点用于负责数据接收和发送，实现用户对系统的可视化控制，使得操作者可以通过任何一台连接到因特网的pc机或智能手机可以访问到上位机的人机界面，对家中的终端节点进行数据访问或者控制。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。