漫射红外技术的智能家居无线局域网设计

摘要：分析了红外技术在短距离无线通信中的优势，并将其应用在智能家居局域网中；结合安华高科技公司的HSDL-3020红外收发模块搭建了硬件电路，构成网络的主从节点；介绍了网络组建的过程，包括IrDA协议栈结构、数据编码格式、链路连接、网络管理机制等。本设计实现了对家居设备的统一管理，具有较高的应用价值。
关键词：漫射红外技术；智能家居；HSDL-3020；IrDA

引言
    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
    MCU和红外收发模块HSDL-3020可通过UART接口直接连接。HSDL-3020的数据输入端TxD_RC兼容CMOS电平，并且它提供的红外通信端口(ICP)支持双通道SIR数据，其传输速率为115．2 kbps，也支持FIR数据，传输速率高达4 Mbps。图5为HSDL-3020与MCU的硬件接口连接图。

    其中，MCU与HSDL-3020的"红外数据"只可通过UART接口进行发送，而"遥控命令"既可以通过UART接口，也可通过通用I／O口进行发送。对SD和TxD_IR两引脚输入不同的时序逻辑，可以改变HSDL-3020的通信方式，实现SIR、MIR及FIR三种方式的切换。通信过程中应注意的是，虽然在硬件上数据传输和遥控命令可以同时进行，但在软件上需要解决空中传输数据混淆和丢失的问题。


3 智能家居红外网络的建立
3．1 IrDA通信协议简介
    红外数据协会(Infrared Data Association，IrDA)是1993年6月成立的一个独立组织，它为短距离红外无线数据通信制定了一系列开放的标准。IrDA标准包括3个必须的协议层：物理层协议(IrPHY)、链路建立协议(IrLAP)、链路管理协议(IrLMP)。除此之外，还有一些适用于特殊的应用模式的可选层。IrDA的目标是制定能以合理且较小的代价实现标准和协议，以推进红外通信的发展。IrDA协议栈结构图如图6所示。

    当今IrDA红外通信方式的通信速度因IrDA物理层的规范方式而异，共分为5大类SIR、MIR、FIR、VFIR和UFIR。SIR通信速度为115 kbps，用于文字信息的传输。MIR和FIR方式的通信速度分别为1 Mbps和4 Mbps，可使文字信息传输速度更快，也可传输音频信息，如MP3、WMA等格式的文件。VFIR和UFIR方式的通信速度分别为16 Mbps和100 Mbps，主要用于图像数据信息传输。在智能家居领域中，图像传输比较少，故采用前3种通信方式。
3．2 红外编码格式
    IrDA协议的物理层制定了规范的编码格式。IrDA物理层1．0版本应用于SIR和MIR通信方式。它基于异步串行通信接口，将从UART接收到的数据进行了编码，将数据"0"变换成3／16位速率或1．6μs的窄脉冲，而数据"1"变换成不发送脉冲。IrDA物理层1．0版的帧结构如图7所示。

    其中，两个STA为起始位，每个STA由01111110组成；后面的内容是上层IrLAP协议加载来的数据，包括8位地址位、8位控制位和n×8位数据位(nMAX=256)；FCS为16位的CRC校验位；STO为停止位，由01111110组成。
    IrDA物理层1．1版本应用于FIR通信方式。它采用4PPM调制方法，以500 ns为固定时隙并将其4等分，根据脉冲在时隙的位置来确定数字模式。4PPM调制方法具有4 Mbps的传输速率，在此速率下，封装包是以同步方式传送的。IrDA物理层1．1版的帧结构如图8所示。

    其中，16PA为16位的引导码1000 0000 1010 1000；一个STA起始位由0000 1100 0000 1100 0110 0000 01100000组成；后面的内容同样是上层IrLAP协议加载来的数据，包括8位地址位、8位控制位和n×8位数据位(nMAX=256)；FCS为32位的CRC校验位；STO为停止位，由0000 1100 0000 1100 0000 0110 0000 0110组成。
3．3 红外网络的建立过程
    红外网络节点由IrDA通信协议的IrLAP完成链路连接，IrLAP在红外信道上提供了一种可靠的数据传输机制。在网络中，各收发模块以红外方式通信时实现寻址、地址冲突处理、恢复机制、工作站的发现／识别、连接建立、主站竞争、媒体接入控制等功能。在面向连接的业务中，IrLAP为所支持的数据链路提供了业务的服务质量，可选的数据块大小为64～2 048位，可选波特率为9 600～4 000 000 bps，等待时间阈值为3 s，最大探询时间为50～500 ms。
    IrLAP定义了3种帧：
    ①无编号帧。用于建立和释放数据链路，报告过程错误，传送数据。
    ②监督帧。用于链路管理，如应答接收帧、传输站点状态报告帧序列错误。
    ③信息帧。用于传输信息。
    IrLAP的工作过程包括地址冲突处理、建立连接、唤醒、信息交换、重置连接、终止连接。IrLAP工作过程如图9所示。

    一旦通过IrLAP建立了链路连接，链路的使用和应用参数的设定将由IrLMP协议来管理。IrLMP的工作过程包括LSAP(链路业务接入点)连接控制、站点控制、IrLAP连接控制等。红外站点间的通信出现碰撞时，用超时重传方法来解决。
    IrLAN是基于上述协议的高层协议，支持IrDA与其他已有局域网的互连。基于IrLAN协议的移动站的工作方式有3种模式：接入点、对等式、主机式。IrLAN使用TinyTP协议来分割和组装分组并进行流量控制。

结语
    本文采用漫射红外的方式，完成了家中局域网的建立，实现了红外通信功能。无论是控制命令的响应速度，还是红外数据的传输速度，都达到了理想的效果。这样，遥控器或控制终端可以对家中的所有电器设备进行控制。例如，可对智能家居系统编制情景功能如"夜间模式"，即可自动关闭窗帘，开启客厅灯光，打开电视机、空调、音响，并将家庭报警设备设置为主人在家的模式，防止误报——无需繁琐地逐个操作各种电器及设备。