基于2．4G的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：無(wú)線通信技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中，在人們的日常生活中也得到大力的推廣和應(yīng)用。本文介紹了基于2．4G無(wú)線通信技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)系統(tǒng)主要硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并系統(tǒng)地分析了無(wú)線通信中的載波監(jiān)聽(tīng)技術(shù)及載荷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：2．4G；智能家居控制系統(tǒng)；無(wú)線通信協(xié)議

引言
    近年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)快速發(fā)展，涌現(xiàn)出藍(lán)牙、ZigBee、WiFi和RFID等無(wú)線通信技術(shù)。無(wú)線通信產(chǎn)品因?yàn)槠浔憬菪浴踩院鸵撞倏匦缘葍?yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被大多數(shù)人接受、采納和使用。本文設(shè)計(jì)的基于2．4G智能家居控制系統(tǒng)采用2．405～2．485 GHz無(wú)線頻段，該頻段是國(guó)際規(guī)定
的免費(fèi)頻段，不需要向國(guó)際相關(guān)組織繳納任何費(fèi)用，為2．4G無(wú)線技術(shù)可持續(xù)發(fā)展提供了必要的有利條件。由于2．4G采用全雙工模式傳輸，在抗干擾性能上比之前的27MHz有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)；傳送速率高達(dá)2 Mbps，是藍(lán)牙傳送速率的兩倍，對(duì)于較大容量的數(shù)據(jù)傳輸更具吸引力。
    無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)在國(guó)外一些高檔公寓得到廣泛的應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)由于價(jià)格昂貴，沒(méi)有得到普及。本文設(shè)計(jì)的無(wú)線控制系統(tǒng)采用nRF 24LE1無(wú)線模塊，同時(shí)該芯片的開(kāi)發(fā)體系比較成熟。系統(tǒng)中還加入光學(xué)手指(OFN)模塊，能夠遠(yuǎn)距離對(duì)主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)空中鼠標(biāo)功能，通過(guò)PC界面進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)線控制。

1 原理分析
1．1 無(wú)線模塊簡(jiǎn)介
    目前，2．4G無(wú)線通信技術(shù)中常用的芯片有挪威Nordic公司nRF24LE1無(wú)線芯片模組、以色列RFWave公司的RFW102無(wú)線芯片模組等。根據(jù)設(shè)計(jì)需求、性能及成本估算，采用nRF24LE1和nRF24LU1+作為處理主芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
    nRF24LE1用作每個(gè)節(jié)點(diǎn)的收發(fā)主控芯片，其內(nèi)部有增強(qiáng)型的8051 MCU和內(nèi)嵌2．4G低功耗無(wú)線收發(fā)內(nèi)核nRF24L01P兩個(gè)部分，空中速率最高達(dá)到2 Mbps，保證大容量數(shù)據(jù)的無(wú)線快速傳輸。MCU和無(wú)線收發(fā)內(nèi)核之間通過(guò)SPI接口進(jìn)行通信。該芯片還內(nèi)嵌很多豐富的模塊，尤其是內(nèi)置128位AES硬件加密器，可對(duì)主節(jié)點(diǎn)到從節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳輸過(guò)程進(jìn)行高強(qiáng)度的加密，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，特別滿(mǎn)足RFID對(duì)高安全性的要求。射頻收發(fā)器可配置為4種工作模式：掉電模式、待機(jī)模式、接收模式和發(fā)射模式。通過(guò)配置CONFIG寄存的PWR_UP、PRIM_RC、RFCE和RFCSN實(shí)現(xiàn)4種模式之間的切換，實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)的思想。
    nRF24LU1+作為主節(jié)點(diǎn)的主控芯片，與PC相連接，通過(guò)其內(nèi)嵌的USB2．0接口，實(shí)現(xiàn)與PC之間的通信，確保其時(shí)效性和快速性。該芯片內(nèi)部與nRF24LE1相似，同樣包含8051 MCU和無(wú)線收發(fā)內(nèi)核nRF24L01P。
1．2 光學(xué)手指模塊簡(jiǎn)介
    光學(xué)手指模塊(即光學(xué)手指導(dǎo)航模組)依附于nRF24LE1芯片，構(gòu)成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制終端設(shè)備功能。其作用是遠(yuǎn)程對(duì)與PC相連接的主節(jié)點(diǎn)端發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)用程序響應(yīng)，通過(guò)主節(jié)點(diǎn)端發(fā)送數(shù)據(jù)包到需要控制的從節(jié)點(diǎn)，控制從節(jié)點(diǎn)連接的電器設(shè)備。
    本系統(tǒng)采用創(chuàng)訊達(dá)CD-001型光學(xué)手指導(dǎo)航模組，在移動(dòng)設(shè)備的屏幕上實(shí)現(xiàn)類(lèi)似鼠標(biāo)操作功能。其供電電源電壓為2．6～3．3 V，低功耗特性使其可以做成一個(gè)由蓄電池供電的手持終端設(shè)備。其原理大致為：通過(guò)安裝在感應(yīng)區(qū)周?chē)腖ED發(fā)出紅外線(波長(zhǎng)為870 nm)照射手指，部分紅外線將會(huì)被反射到感應(yīng)區(qū)，感應(yīng)區(qū)根據(jù)這些反射的紅外線轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，計(jì)算出手指移動(dòng)的方向和速度，然后以相對(duì)坐標(biāo)的形式輸出，通過(guò)I2C總線接口與nRF24LE1主芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。光學(xué)手指導(dǎo)航模組如圖1所示。

1．3 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理
    2．4G智能家居控制系統(tǒng)是基于2．4G無(wú)線收發(fā)芯片和光學(xué)手指導(dǎo)航模組為基礎(chǔ)所設(shè)計(jì)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

    nRF24LE1與nRF24LU1+均采用nRF24L01P無(wú)線收發(fā)內(nèi)核。nRF24L01P在對(duì)數(shù)據(jù)包處理過(guò)程中采用增強(qiáng)型ShockBurst模式。增強(qiáng)型ShockBurst模式下nRF24L01處于接收模式時(shí)可以接收6路不同通道的數(shù)據(jù)，如圖2所示，每一個(gè)數(shù)據(jù)通道使用不同的地址，但是共用相同的RF頻道。當(dāng)6個(gè)nRF24LE1設(shè)置為發(fā)送模式后，可以與同一個(gè)設(shè)置為接收模式的nRF24LU1+進(jìn)行通信，而設(shè)置為接收模式的nRF24LU1+對(duì)6個(gè)發(fā)射端進(jìn)行識(shí)別。數(shù)據(jù)通道0是唯一一個(gè)可以配置為40位自身地址的數(shù)據(jù)通道，因此把數(shù)據(jù)通道0作為空中鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)傳輸通道。
    數(shù)據(jù)通道1～5均為8位自身地址和32位公用的高地址。因此，這5個(gè)數(shù)據(jù)通道可以配置為需要控制的家用電器，如數(shù)字機(jī)頂盒、空調(diào)和微波爐等等。只需要在每個(gè)家用電器上安裝以nRF24LE1為主控芯片的無(wú)線模塊，就可實(shí)現(xiàn)；利用空中鼠標(biāo)對(duì)PC遠(yuǎn)距離操作，再由PC端主節(jié)點(diǎn)發(fā)射控制信號(hào)，按照用戶(hù)的需要實(shí)現(xiàn)控制電器的功能。

2 硬件電路
    硬件電路包含3個(gè)部分：nRF24LE1為主控芯片的從節(jié)點(diǎn)端，nRF24LE1和OFN模組的空中鼠標(biāo)，以及nRF24LU1+為主控芯片連接PC的主節(jié)點(diǎn)端。下面具體闡述后兩者的電路設(shè)計(jì)。
2．1 PC主節(jié)點(diǎn)端
    主節(jié)點(diǎn)端采用的芯片nRF24LU1+，內(nèi)嵌USB功能模塊，只需在外圍提供4個(gè)接口即可實(shí)現(xiàn)其功能。接收端天線由電容和電感匹配，功能包括對(duì)信號(hào)的選頻和諧振；對(duì)不需要的信號(hào)頻率濾波，使接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)和發(fā)射端的數(shù)據(jù)信號(hào)達(dá)到完全相同。電容和電感的參數(shù)配置根據(jù)運(yùn)算得出。該部分由于體積較小，沒(méi)有設(shè)置復(fù)位按鍵，如果需要復(fù)位，只需要重新插拔接收端至PC的USB接口。主節(jié)點(diǎn)電路如圖3所示。

2．2 OFN模塊
    OFN模塊和nRF24LE1共同組合實(shí)現(xiàn)空中鼠標(biāo)功能。兩者之間的連接是通過(guò)I2C總線進(jìn)行通信，因此需要將CD-001的IO_MISO_SDA、IO_CLK兩引腳與nRF24LE1芯片的兩個(gè)GPIO口相連，完成I2C總線數(shù)據(jù)通信。采用片狀DOME按鍵，貼在模組的背面。DOME-引腳與地相連，DOME+引腳給后端MCU，MCU判斷是否已經(jīng)按下，這個(gè)鍵一般作為確定鍵使用，類(lèi)似鼠標(biāo)左鍵。在該系統(tǒng)中，光學(xué)手指模塊就是發(fā)揮鼠標(biāo)的功能。因此這個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備同樣可以適用于所有PC，其兼容性確定了該設(shè)備可以得到普及。OFN模塊電路如圖4所示。

3 無(wú)線通信協(xié)議
3．1 載波監(jiān)聽(tīng)技術(shù)
    為了實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)范圍內(nèi)多點(diǎn)間通信，需要考慮數(shù)據(jù)在大氣中傳輸時(shí)的相互碰撞問(wèn)題。目前，為了建立可靠的無(wú)線傳輸通路，避免多節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信沖突的常用方法有頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)、調(diào)頻(FHSS)、載波監(jiān)聽(tīng)(CSMA)等技術(shù)。本系統(tǒng)根據(jù)芯片硬件技術(shù)，采用了CSMA技術(shù)。
    nRF24LE1集成了載波檢測(cè)功能，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)當(dāng)前工作是否有干擾，保證在W-LAN環(huán)境下可靠地工作。其SPI接口與外接微控制器的通信速率高達(dá)10 Mbps，具有切換高速、獨(dú)特的特點(diǎn)，減少了與跳頻系統(tǒng)出現(xiàn)碰撞的可能。
    采用nRF24LE1的Enhanced ShockBurst模式進(jìn)行通信。對(duì)于主機(jī)節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)跳頻流程如圖5所示。主節(jié)點(diǎn)始終處于載波檢測(cè)狀態(tài)，當(dāng)僅收到一次亂碼干擾的時(shí)候，可能是與藍(lán)牙系統(tǒng)發(fā)送沖突，主機(jī)不必改變信道；當(dāng)持續(xù)收到當(dāng)前頻率的亂碼干擾時(shí)，說(shuō)明收到的不是脈沖干擾，而是穩(wěn)定的干擾。這時(shí)nRF24LE1需要按照已設(shè)定的信道列表跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)信道。

    對(duì)于從節(jié)點(diǎn)，發(fā)送完數(shù)據(jù)后等待主機(jī)的ACK，如果沒(méi)有收到ACK，表示發(fā)送失敗，則在相同信道上重發(fā)3次。由于藍(lán)牙系統(tǒng)在每個(gè)信道上停留時(shí)間大約為650μs，而nRF24LE1發(fā)送數(shù)據(jù)并等待接收對(duì)方ACK的時(shí)間大約為1 ms。因此，如果第一次發(fā)送失敗是由于與藍(lán)牙系統(tǒng)發(fā)生沖突，那么第二次發(fā)送一般可以順利到達(dá)接收方。如果3次發(fā)送均失敗，說(shuō)明受到的不是脈沖干擾，而是穩(wěn)定的干擾。因此，需要nRF24LE1按照已設(shè)定的信道列表跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)信道。軟件編程時(shí)可以設(shè)置需要跳頻時(shí)查表即可，這也決定了一次只能對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)出控制信號(hào)。從節(jié)點(diǎn)跳頻流程如圖6所示。
3．2 載荷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
    載荷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

    幀頭：通過(guò)幀頭判斷數(shù)據(jù)類(lèi)型，如主機(jī)申請(qǐng)數(shù)據(jù)、加入網(wǎng)絡(luò)、退出網(wǎng)絡(luò)、廣播信號(hào)等，根據(jù)幀頭的不同，對(duì)載荷采取不同處理方式。
    類(lèi)ID：通過(guò)類(lèi)ID劃分不同類(lèi)型設(shè)備。根據(jù)這個(gè)值的不同可以識(shí)別每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備名稱(chēng)。
    設(shè)備ID：劃分同類(lèi)型的設(shè)備。
    數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：定義所要發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。
    數(shù)據(jù)：要發(fā)送的數(shù)據(jù)。
    總幀數(shù)；一個(gè)數(shù)據(jù)包總幀的個(gè)數(shù)。
    幀號(hào)：標(biāo)記此刻傳輸?shù)牡趲讕瑪?shù)據(jù)。
    幀頭、ID、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)都是由PC通過(guò)USB接口傳輸?shù)?051．MCU部分，再通過(guò)SPI傳給RF部分，RF部分再自動(dòng)把這些數(shù)據(jù)包組裝成無(wú)線傳輸?shù)母袷?。該方式的?yōu)點(diǎn)是用總幀數(shù)和幀號(hào)保證斷點(diǎn)續(xù)傳。

結(jié)語(yǔ)
    本文介紹了基于2．4G無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)闡述了創(chuàng)新部分的電路設(shè)計(jì)；同時(shí)系統(tǒng)地分析了無(wú)線傳輸協(xié)議的制定和載波監(jiān)聽(tīng)技術(shù)在該系統(tǒng)的應(yīng)用。該系統(tǒng)基于PC平臺(tái)，在以后的研究中，可以考慮使用基于ARM平臺(tái)的手持終端，實(shí)現(xiàn)更完善的智能家居一體化控制系統(tǒng)。