摘要：無線通信技術(shù)不僅廣泛應用于工業(yè)控制中，在人們的日常生活中也得到大力的推廣和應用。本文介紹了基于2．4G無線通信技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)方法，對系統(tǒng)主要硬件電路進行了設(shè)計，并系統(tǒng)地分析了無線通信中的載波監(jiān)聽技術(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)；無線通信協(xié)議

引言
    近年來，無線通信技術(shù)快速發(fā)展，涌現(xiàn)出藍牙、ZigBee、WiFi和RFID等無線通信技術(shù)。無線通信產(chǎn)品因為其便捷性、安全性和易操控性等優(yōu)點，已經(jīng)被大多數(shù)人接受、采納和使用。本文設(shè)計的基于2．4G智能家居控制系統(tǒng)采用2．405～2．485 GHz無線頻段，該頻段是國際規(guī)定
的免費頻段，不需要向國際相關(guān)組織繳納任何費用，為2．4G無線技術(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有絕對的優(yōu)勢；傳送速率高達2 Mbps，是藍牙傳送速率的兩倍，對于較大容量的數(shù)據(jù)傳輸更具吸引力。
    無線智能家居控制系統(tǒng)在國外一些高檔公寓得到廣泛的應用，但在國內(nèi)由于價格昂貴，沒有得到普及。本文設(shè)計的無線控制系統(tǒng)采用nRF 24LE1無線模塊，同時該芯片的開發(fā)體系比較成熟。系統(tǒng)中還加入光學手指(OFN)模塊，能夠遠距離對主節(jié)點進行操作，實現(xiàn)空中鼠標功能，通過PC界面進行遠程操作，真正實現(xiàn)了無線控制。

1 原理分析
1．1 無線模塊簡介
    目前，2．4G無線通信技術(shù)中常用的芯片有挪威Nordic公司nRF24LE1無線芯片模組、以色列RFWave公司的RFW102無線芯片模組等。根據(jù)設(shè)計需求、性能及成本估算，采用nRF24LE1和nRF24LU1+作為處理主芯片進行數(shù)據(jù)傳輸。
    nRF24LE1用作每個節(jié)點的收發(fā)主控芯片，其內(nèi)部有增強型的8051 MCU和內(nèi)嵌2．4G低功耗無線收發(fā)內(nèi)核nRF24L01P兩個部分，空中速率最高達到2 Mbps，保證大容量數(shù)據(jù)的無線快速傳輸。MCU和無線收發(fā)內(nèi)核之間通過SPI接口進行通信。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，可對主節(jié)點到從節(jié)點的無線傳輸過程進行高強度的加密，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，特別滿足RFID對高安全性的要求。射頻收發(fā)器可配置為4種工作模式：掉電模式、待機模式、接收模式和發(fā)射模式。通過配置CONFIG寄存的PWR_UP、PRIM_RC、RFCE和RFCSN實現(xiàn)4種模式之間的切換，實現(xiàn)低功耗設(shè)計的思想。
    nRF24LU1+作為主節(jié)點的主控芯片，與PC相連接，通過其內(nèi)嵌的USB2．0接口，實現(xiàn)與PC之間的通信，確保其時效性和快速性。該芯片內(nèi)部與nRF24LE1相似，同樣包含8051 MCU和無線收發(fā)內(nèi)核nRF24L01P。
1．2 光學手指模塊簡介
    光學手指模塊(即光學手指導航模組)依附于nRF24LE1芯片，構(gòu)成一個節(jié)點，實現(xiàn)遠程控制終端設(shè)備功能。其作用是遠程對與PC相連接的主節(jié)點端發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)應用程序響應，通過主節(jié)點端發(fā)送數(shù)據(jù)包到需要控制的從節(jié)點，控制從節(jié)點連接的電器設(shè)備。
    本系統(tǒng)采用創(chuàng)訊達CD-001型光學手指導航模組，在移動設(shè)備的屏幕上實現(xiàn)類似鼠標操作功能。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由蓄電池供電的手持終端設(shè)備。其原理大致為：通過安裝在感應區(qū)周圍的LED發(fā)出紅外線(波長為870 nm)照射手指，部分紅外線將會被反射到感應區(qū)，感應區(qū)根據(jù)這些反射的紅外線轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，計算出手指移動的方向和速度，然后以相對坐標的形式輸出，通過I2C總線接口與nRF24LE1主芯片進行數(shù)據(jù)通信。光學手指導航模組如圖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無線收發(fā)芯片和光學手指導航模組為基礎(chǔ)所設(shè)計。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

    nRF24LE1與nRF24LU1+均采用nRF24L01P無線收發(fā)內(nèi)核。nRF24L01P在對數(shù)據(jù)包處理過程中采用增強型ShockBurst模式。增強型ShockBurst模式下nRF24L01處于接收模式時可以接收6路不同通道的數(shù)據(jù)，如圖2所示，每一個數(shù)據(jù)通道使用不同的地址，但是共用相同的RF頻道。當6個nRF24LE1設(shè)置為發(fā)送模式后，可以與同一個設(shè)置為接收模式的nRF24LU1+進行通信，而設(shè)置為接收模式的nRF24LU1+對6個發(fā)射端進行識別。數(shù)據(jù)通道0是唯一一個可以配置為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)字機頂盒、空調(diào)和微波爐等等。只需要在每個家用電器上安裝以nRF24LE1為主控芯片的無線模塊，就可實現(xiàn)；利用空中鼠標對PC遠距離操作，再由PC端主節(jié)點發(fā)射控制信號，按照用戶的需要實現(xiàn)控制電器的功能。

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

2．2 OFN模塊
    OFN模塊和nRF24LE1共同組合實現(xiàn)空中鼠標功能。兩者之間的連接是通過I2C總線進行通信，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，這個鍵一般作為確定鍵使用，類似鼠標左鍵。在該系統(tǒng)中，光學手指模塊就是發(fā)揮鼠標的功能。因此這個節(jié)點設(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 無線通信協(xié)議
3．1 載波監(jiān)聽技術(shù)
    為了實現(xiàn)在同一個范圍內(nèi)多點間通信，需要考慮數(shù)據(jù)在大氣中傳輸時的相互碰撞問題。目前，為了建立可靠的無線傳輸通路，避免多節(jié)點無線通信沖突的常用方法有頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)、調(diào)頻(FHSS)、載波監(jiān)聽(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集成了載波檢測功能，可以準確地檢測當前工作是否有干擾，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10 Mbps，具有切換高速、獨特的特點，減少了與跳頻系統(tǒng)出現(xiàn)碰撞的可能。
    采用nRF24LE1的Enhanced ShockBurst模式進行通信。對于主機節(jié)點，主節(jié)點跳頻流程如圖5所示。主節(jié)點始終處于載波檢測狀態(tài)，當僅收到一次亂碼干擾的時候，可能是與藍牙系統(tǒng)發(fā)送沖突，主機不必改變信道；當持續(xù)收到當前頻率的亂碼干擾時，說明收到的不是脈沖干擾，而是穩(wěn)定的干擾。這時nRF24LE1需要按照已設(shè)定的信道列表跳轉(zhuǎn)到另一個信道。

    對于從節(jié)點，發(fā)送完數(shù)據(jù)后等待主機的ACK，如果沒有收到ACK，表示發(fā)送失敗，則在相同信道上重發(fā)3次。由于藍牙系統(tǒng)在每個信道上停留時間大約為650μs，而nRF24LE1發(fā)送數(shù)據(jù)并等待接收對方ACK的時間大約為1 ms。因此，如果第一次發(fā)送失敗是由于與藍牙系統(tǒng)發(fā)生沖突，那么第二次發(fā)送一般可以順利到達接收方。如果3次發(fā)送均失敗，說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)到另一個信道。軟件編程時可以設(shè)置需要跳頻時查表即可，這也決定了一次只能對一個節(jié)點設(shè)備發(fā)出控制信號。從節(jié)點跳頻流程如圖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：通過幀頭判斷數(shù)據(jù)類型，如主機申請數(shù)據(jù)、加入網(wǎng)絡、退出網(wǎng)絡、廣播信號等，根據(jù)幀頭的不同，對載荷采取不同處理方式。
    類ID：通過類ID劃分不同類型設(shè)備。根據(jù)這個值的不同可以識別每個節(jié)點設(shè)備名稱。
    設(shè)備ID：劃分同類型的設(shè)備。
    數(shù)據(jù)長度：定義所要發(fā)送的數(shù)據(jù)長度。
    數(shù)據(jù)：要發(fā)送的數(shù)據(jù)。
    總幀數(shù)；一個數(shù)據(jù)包總幀的個數(shù)。
    幀號：標記此刻傳輸?shù)牡趲讕瑪?shù)據(jù)。
    幀頭、ID、數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)都是由PC通過USB接口傳輸?shù)?051．MCU部分，再通過SPI傳給RF部分，RF部分再自動把這些數(shù)據(jù)包組裝成無線傳輸?shù)母袷?。該方式的?yōu)點是用總幀數(shù)和幀號保證斷點續(xù)傳。

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