漫射红外技术的智能家居无线局域网设计

　　智能家居是融合了自动化控制系统、计算机网络系统和网络通信技术于一体的网络智能化的家居控制系统。智能家居将让用户用更方便的手段来管理家庭设备，比如通过触摸屏、无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，更可以执行场景操作，使多个设备形成联动。另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通信，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全的使用环境。

　　红外技术是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段，它利用红外线作为载体，进行数据传输。在日常生活中，红外技术的应用随处可见，如通过红外遥控器对电视机、空调等家用电器进行控制和在耳机上以红外的方式进行音频传输等。在智能家居控制领域，红外技术与射频和蓝牙技术相比有它自身的优势。一方面，从应用的角度上看，射频信号的频谱已经非常拥挤，而各个国家对射频频谱范围管理较严格，可提供的无线电波的频率范围也非常紧缺，而电磁波谱中的光谱是不受通信管理委员会条例限制的。另一方面，与蓝牙技术相比，红外技术在传输距离上虽与之相似，但可节省大量成本。近几十年来，随着编码调制技术的发展，红外无线数据传输率也越来越高，可以说红外传输技术已经成熟。另外，它稳定性高、私密性强，所以，非常适合用在短距离无线通信智能家居控制系统中。

　　1 智能家居网络结构

　　1.1 总体结构

　　在室内红外网络中，每个终端节点控制器配备用于光电信号相互转化的红外收发模块，以发散的红外光作为载体信号，使在同一室内的各终端节点以自组织方式构成网络，形成对目标的监测区域。每个房间分别装有一个主节点控制器和若干个从节点控制器，这些控制器的尺寸很小，可以安装在室内任何区域，工作范围又仅限在自己的屋内，所以不受相邻屋子系统操作的干扰。主节点控制器之间以电力线形式连接，实现家庭中各居室的相互通信。

　　主节点控制器同时又配有GPRS模块，可以与外部网络进行通信。主节点控制器通过外部网络，把数据从监测区域发送到远程数据库，然后利用各种应用软件对采集到的数据进行分析处理，通过各种显示方式提供给终端用户。用户和远程任务管理单元也可以通过外部网络，与主节点控制器进行交互，如向目的节点发布查询请求和控制命令，并接收返回的信息。通过外部网络控制主节点控制器发出红外光，散射到天花板、墙壁或其他物体上，并在其表面产生漫反射，光信号载体就布满了整个房间。这样，从节点控制器接收辐射光的视觉角度宽，而且接收是适合各个方向的。因此，主从节点的发射模块和接收模块不需要有直接的照射光线，光的传输路径不会轻易被打断。同样的传输方法也适用于上传数据。红外无线网络体系结构如图1所示。

　　1.2 室内结构

　　在充满漫射红外光的住宅内，红外遥控器和主节点控制器都具有专用的身份识别码、电器选择码。红外遥控器还具有功能键代码，当按下相应键时，便发射出红外光，光线中携带有自身的编码信息、操作对象及操作指令。每个家用设备都安装一个从节点控制器，这些从节点控制器在出厂时不带有自身的编码地址信息，需用户输入指定的身份地址编码，从节点控制器通过自学习过程，存储该编码。使用过程中，从节点控制器接收到红外光信息后，对信息进行身份识别，就可对与它连接的设备进行相应的操作，并在完成之后发出反馈信号。室内的不同控制器分别实现了其自身功能，室内智能家居结构如图2所示。

　　室内智能家居向用户提供家电统一管理、照明控制、供电控制、室内无线遥控、防盗报警、家居安全保障、温度光照检测与调节及GPRS远程监控等功能，并结合其他系统为住户提供一个温馨舒适、安全节能、先进易用的家居环境，让住户充分享受到现代科技给居家生活带来的安全、舒适、便利与精彩。

　　2 系统硬件设计

　　2.1 节点结构

　　主节点选用STM32L151芯片作为系统MCU。该芯片是意法半导体公司提供的超低功耗、高数据安全性、高效能的ARMCortex-M3系列芯片。由于本系统采用漫射红外原理，单独的红外光不足以构成室内红外光网，故主节点采用红外收发模块点阵增大光强和光照范围，增强室内红外数据传输的可靠性。主节点配有GPRS模块与外部网络进行通信。另外，从安全的角度考虑，无论是主节点还是从节点都必须配有备用电池，避免如家中突然停电，室内信息无法告知用户等情况给用户造成的损失。红外网络系统的主节点硬件结构如图3所示。

　　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