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?、安全性和易操控性等?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)周圍的LED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。