基于nRF24AP1的智能家居設(shè)計(jì)方案

摘 要 主要介紹了基于nRF24AP1無線網(wǎng)絡(luò)芯片智能家居的硬件電路與軟件設(shè)計(jì)流程，主機(jī)通過串口對(duì)信道參數(shù)進(jìn)行配置，節(jié)點(diǎn)配對(duì)，利用ANT協(xié)議實(shí)現(xiàn)與從機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)包的收發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)控制家電的目的。
關(guān)鍵詞 智能家居 nRF24AP1 ANT協(xié)議 信道配置

引 言
    隨著社會(huì)信息化的加快，人們對(duì)家居的要求早已不只是物理空間，更為關(guān)注的是一個(gè)安全、方便、舒適的居家環(huán)境。為了很好地滿足用戶對(duì)家居網(wǎng)絡(luò)的靈活性、可靠性以及便捷性等方面的需求，智能家居系統(tǒng)使用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不但克服了有線系統(tǒng)的高成本和不方便等缺點(diǎn)，而且使用方便，能夠快捷地管理家務(wù)、監(jiān)測(cè)家居環(huán)境、遙控家用電器等。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理
    智能家居系統(tǒng)由主機(jī)、從機(jī)、接口設(shè)備及各家電設(shè)備組成，主從機(jī)都有一個(gè)無線收發(fā)芯片，通過主從機(jī)間無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型的無線智能網(wǎng)絡(luò)。芯片 nRF24AP1內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含串行接口UART、時(shí)鐘模塊、ANT協(xié)議機(jī)和1 Mb／s的射頻收發(fā)信機(jī)等4個(gè)模塊。首先MCU通過串口對(duì)nRF24AP1進(jìn)行信道參數(shù)配置，nRF24AP1執(zhí)行配置任務(wù)，主機(jī)執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)包指令，通過空中接口完成數(shù)據(jù)信息包的發(fā)送與接收；從機(jī)接收數(shù)據(jù)信息，由從MCU執(zhí)行任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)控制家電的目的。圖l為系統(tǒng)總體框圖。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
    (1)主機(jī)電路
    處理器模塊選用AVR系列的ATmegal6單片機(jī)，并通過鍵盤輸入和液晶顯示，利用nRF24AP1無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和節(jié)點(diǎn)設(shè)備的控制。MCU和nRF24AP1通過異步串口實(shí)現(xiàn)通信。圖2為主機(jī)框圖。

    (2)從機(jī)及接口設(shè)備電路
    從機(jī)通過nRF24AP1進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，當(dāng)有數(shù)據(jù)觸發(fā)中斷時(shí)，從機(jī)MCU從接收緩存中取出數(shù)據(jù)，并執(zhí)行控制任務(wù)，通過接口設(shè)備(如智能開關(guān))實(shí)現(xiàn)控制家電的目的。圖3為從機(jī)框圖。

3 軟件設(shè)計(jì)
    無線收發(fā)芯片nRF24AP1有“休眠”和“待機(jī)”兩種省電模式，及配置收發(fā)的工作模式。模式與引腳關(guān)系如表1所列。

    為了降低功耗，主機(jī)在大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)。當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)SLEEP置低，nRF24Ap1進(jìn)入工作狀態(tài)，而從機(jī)始終處于查詢接收狀態(tài)。主從機(jī)間使用獨(dú)立單向信道傳輸數(shù)據(jù)，主機(jī)查詢發(fā)送，從機(jī)以中斷方式接收控制數(shù)據(jù)。
    ANT是以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送／接收數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)包的消息格式如下：

    ANT協(xié)議是二進(jìn)制協(xié)議，每個(gè)消息函數(shù)都是一個(gè)完整的協(xié)議數(shù)據(jù)包，由五部分組成：SYNC、MSG LEN、MSGID、DATA、CHECKSUM。每一部分是8位(1字節(jié))，每個(gè)消息以SYNC(OxA4)字節(jié)位開始，以CHECKSUM字節(jié)結(jié)束，以比特的方式發(fā)送與接收。當(dāng)有數(shù)據(jù)包發(fā)送到nRF24AP1接收緩存時(shí)，ANT協(xié)議根據(jù)MSG ID判斷消息的類型，根據(jù)MSG LEN判斷數(shù)據(jù)長度。ANT接收到有效的數(shù)據(jù)包后，自動(dòng)移去SYNC、MSG=LEN、MSG ID、CHECKSUM，只留有效數(shù)據(jù)放在緩存中。從MCU以中斷方式從緩存中提取有效數(shù)據(jù)，執(zhí)行控制任務(wù)。
3．1 串口初始化配置
    ATmega16單片機(jī)和無線收發(fā)芯片nRF24APl都有UART模塊，在使用前需要進(jìn)行初始化設(shè)置。本設(shè)計(jì)使用異步串口通信，主從機(jī)使用同樣的波特率 19 200。從機(jī)波特率由芯片nRF24APl上的引腳BR2、BR1來設(shè)置，異步數(shù)據(jù)以1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位以及無校驗(yàn)的方式進(jìn)行傳輸。當(dāng)有串口數(shù)據(jù)到達(dá)從機(jī)MCU緩存時(shí)產(chǎn)生中斷，從機(jī)MCU響應(yīng)中斷，從接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。中斷接收設(shè)置一個(gè)長度為16字節(jié)的緩沖區(qū)(rx_bufer)，緩沖區(qū)設(shè)有單獨(dú)讀／寫指針，并與緩沖計(jì)數(shù)器相關(guān)聯(lián)。串口發(fā)送的數(shù)據(jù)首先通過SendData()寫入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器UDR，然后由硬件自動(dòng)將其發(fā)送到接收數(shù)據(jù)寄存器UDR。接收數(shù)據(jù)時(shí)，先將接收到的數(shù)據(jù)寫入rx_buffer，再根據(jù)應(yīng)用需要調(diào)用函數(shù)GetData()，從緩沖區(qū)中取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
3．2 信道配置
    在ANT節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信之前，必須對(duì)信道參數(shù)進(jìn)行配置，這些參數(shù)包括網(wǎng)絡(luò)號(hào)、射頻頻率、信道ID(生產(chǎn)商ID／設(shè)備類型／設(shè)備號(hào))、信道類型和信道周期。主從結(jié)點(diǎn)要求網(wǎng)絡(luò)號(hào)、射頻頻率和信道周期3個(gè)參數(shù)設(shè)置完全一致，信道類型參數(shù)的設(shè)置必須一一對(duì)應(yīng)，例如“雙向發(fā)送信道”對(duì)應(yīng)“雙向接收信道”。至于信道ID 參數(shù)，則應(yīng)從節(jié)點(diǎn)遵循主節(jié)點(diǎn)的設(shè)置。
    主機(jī)通過串口對(duì)信道參數(shù)進(jìn)行配置，配置過程如下：
    ①配置信道之前要進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，執(zhí)行ANT_ResetSystem()；
    ②分配信道，執(zhí)行ANT_AssignChannel()；
    ③配置信道ID，執(zhí)行ANT__SetChannelID()。
    同樣，各從機(jī)也按照主機(jī)配置步驟對(duì)從機(jī)進(jìn)行信道參數(shù)配置，設(shè)置自己的信道號(hào)、信道類型、網(wǎng)絡(luò)號(hào)等。
3．3 節(jié)點(diǎn)配置
    ANT協(xié)議中，通信節(jié)點(diǎn)建立連接的過程稱為節(jié)點(diǎn)配對(duì)的過程。ANT協(xié)議提供兩層配對(duì)控制，即信道ID和配對(duì)比特。
    對(duì)于信道ID，只有相同的或兼容的信道ID才允許配對(duì)。
    對(duì)于信道比特，信道ID參數(shù)中“設(shè)備類型”字段的最高位規(guī)定為ANT的“配對(duì)比特”。當(dāng)從節(jié)點(diǎn)對(duì)僅知曉部分信道ID參數(shù)時(shí)，該比特的設(shè)置才對(duì)配對(duì)結(jié)果有影響。ANT協(xié)議規(guī)定，具有兼容的信道ID參數(shù)且配對(duì)比特的設(shè)置也相同的節(jié)點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)配對(duì)。
    如果信道ID的所有數(shù)據(jù)域都是已知的，將不需要配對(duì)比特，因?yàn)榻邮照咭呀?jīng)準(zhǔn)確地知道要和哪個(gè)發(fā)送者連接，當(dāng)使用配對(duì)比特并且信道ID的數(shù)據(jù)域至少一個(gè)是wild card時(shí)，期望和另一方建立通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在連接過程中配對(duì)比特必須處于同一狀態(tài)。
3．4 打開信道，發(fā)送數(shù)據(jù)
    當(dāng)用戶想遙控家電時(shí)，主機(jī)執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送。主機(jī)有輸入按鍵1、2等(代表信道1、信道2)來選擇信道，當(dāng)有按鍵輸入時(shí)，主機(jī)從休眠模式快速蘇醒，快速完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。另還有發(fā)送按鍵“SEND”，用來調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)。
    執(zhí)行過程如下：
    ①打開信道，調(diào)用ANT_OpenChannel()；
    ②發(fā)送數(shù)據(jù)，調(diào)ANT_SendBroadcastData()。
    例如通過按鍵“1”打開1信道，主程序調(diào)用ANT_OpenChannel(1)一>SerialData0xA4，0x01，0x4B， 0x01，0xEF)，即調(diào)用ANT_OpenChannel(1)將產(chǎn)生串行數(shù)據(jù)(0xA4，0x0l，0x4B，0x01，0xEF)，然后把這些串行數(shù)據(jù)以比特的形式發(fā)送到ANT模塊的接收緩存。ANT協(xié)議自動(dòng)移去0xA4、0X01、0x4B、0xEF，即第4個(gè)數(shù)據(jù)0x01為有效數(shù)據(jù)，放在接收緩存，觸發(fā)接收中斷。

4 液晶模塊接口與鍵盤接口設(shè)計(jì)
    按鍵用于數(shù)據(jù)輸入。本設(shè)計(jì)使用獨(dú)立式按鍵，電路簡單，每個(gè)按鍵接通一條輸入數(shù)據(jù)線，這樣按鍵工作不會(huì)影響其他I／O口。這里用3個(gè)按鍵舉例，介紹電路使用查詢方式。
    按鍵1：“CHl”，輸入信道“1”。
    按鍵2：“CH2”，輸入信道“2”。
    按鍵3：“SEND”，發(fā)送數(shù)據(jù)。
    LCD作為人機(jī)交互界面，通過按鍵輸入顯示選擇的信道(CHl／CH2)，通過按鍵輸入信道數(shù)，執(zhí)行打開信道函數(shù)ANT_OpenChannel()。如打開信道1，執(zhí)行ANT_OpenChannel(1)。主機(jī)處于查詢接收狀態(tài)，主機(jī)尋找匹配信道的節(jié)點(diǎn)，然后建立連接，等待數(shù)據(jù)的傳輸。點(diǎn)“SEND” 按鍵，執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)消息函數(shù)ANT_SendBroad-castData()發(fā)送數(shù)據(jù)。每次打開信道和發(fā)送數(shù)據(jù)消息成功都有LED指示。
    當(dāng)主機(jī)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，主機(jī)MCU置SLEEP為高，使主機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)，進(jìn)入省電模式，以達(dá)到省電節(jié)能的目的。圖4為軟件實(shí)現(xiàn)流程圖。

結(jié)語
    本設(shè)計(jì)方案中的智能家居系統(tǒng)利用無線網(wǎng)路芯片nRF24APl傳輸數(shù)據(jù)，硬件電路簡單。芯片內(nèi)嵌ANT協(xié)議，協(xié)議結(jié)構(gòu)簡易，使用方便，成本較低，超低功耗，軟件設(shè)計(jì)合理，使用穩(wěn)定可靠，效率高，而且節(jié)點(diǎn)易擴(kuò)展。這不僅在智能家居方面，還在體育娛樂、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、醫(yī)療工業(yè)自動(dòng)化及其他新興無線應(yīng)用領(lǐng)域，都具有推廣價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。