基于2．4G的智能家居控制系統設計

摘要：無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的智能家居控制系統設計和實(shí)現方法，對系統主要硬件電路進(jìn)行了設計，并系統地分析了無(wú)線(xiàn)通信中的載波監聽(tīng)技術(shù)及載荷的數據結構。
關(guān)鍵詞：2．4G；智能家居控制系統；無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議

引言
近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)快速發(fā)展，涌現出藍牙、ZigBee、WiFi和RFID等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品因為其便捷性、安全性和易操控性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被大多數人接受、采納和使用。本文設計的基于2．4G智能家居控制系統采用2．405～2．485 GHz無(wú)線(xiàn)頻段，該頻段是國際規定
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(wú)線(xiàn)技術(shù)可持續發(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，對于較大容量的數據傳輸更具吸引力。
無(wú)線(xiàn)智能家居控制系統在國外一些高檔公寓得到廣泛的應用，但在國內由于價(jià)格昂貴，沒(méi)有得到普及。本文設計的無(wú)線(xiàn)控制系統采用nRF 24LE1無(wú)線(xiàn)模塊，同時(shí)該芯片的開(kāi)發(fā)體系比較成熟。系統中還加入光學(xué)手指(OFN)模塊，能夠遠距離對主節點(diǎn)進(jìn)行操作，實(shí)現空中鼠標功能，通過(guò)PC界面進(jìn)行遠程操作，真正實(shí)現了無(wú)線(xiàn)控制。

1 原理分析
1．1 無(wú)線(xiàn)模塊簡(jiǎn)介
目前，2．4G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中常用的芯片有挪威Nordic公司nRF24LE1無(wú)線(xiàn)芯片模組、以色列RFWave公司的RFW102無(wú)線(xiàn)芯片模組等。根據設計需求、性能及成本估算，采用nRF24LE1和nRF24LU1+作為處理主芯片進(jìn)行數據傳輸。
nRF24LE1用作每個(gè)節點(diǎn)的收發(fā)主控芯片，其內部有增強型的8051 MCU和內嵌2．4G低功耗無(wú)線(xiàn)收發(fā)內核nRF24L01P兩個(gè)部分，空中速率最高達到2 Mbps，保證大容量數據的無(wú)線(xiàn)快速傳輸。MCU和無(wú)線(xiàn)收發(fā)內核之間通過(guò)SPI接口進(jìn)行通信。該芯片還內嵌很多豐富的模塊，尤其是內置128位AES硬件加密器，可對主節點(diǎn)到從節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程進(jìn)行高強度的加密，確保數據傳輸的安全，特別滿(mǎn)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(guò)配置CONFIG寄存的PWR_UP、PRIM_RC、RFCE和RFCSN實(shí)現4種模式之間的切換，實(shí)現低功耗設計的思想。
nRF24LU1+作為主節點(diǎn)的主控芯片，與PC相連接，通過(guò)其內嵌的USB2．0接口，實(shí)現與PC之間的通信，確保其時(shí)效性和快速性。該芯片內部與nRF24LE1相似，同樣包含8051 MCU和無(wú)線(xiàn)收發(fā)內核nRF24L01P。
1．2 光學(xué)手指模塊簡(jiǎn)介
光學(xué)手指模塊(即光學(xué)手指導航模組)依附于nRF24LE1芯片，構成一個(gè)節點(diǎn)，實(shí)現遠程控制終端設備功能。其作用是遠程對與PC相連接的主節點(diǎn)端發(fā)送數據。根據應用程序響應，通過(guò)主節點(diǎn)端發(fā)送數據包到需要控制的從節點(diǎn)，控制從節點(diǎn)連接的電器設備。
本系統采用創(chuàng )訊達CD-001型光學(xué)手指導航模組，在移動(dòng)設備的屏幕上實(shí)現類(lèi)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(gè)由蓄電池供電的手持終端設備。其原理大致為：通過(guò)安裝在感應區周?chē)腖ED發(fā)出紅外線(xiàn)(波長(cháng)為870 nm)照射手指，部分紅外線(xiàn)將會(huì )被反射到感應區，感應區根據這些反射的紅外線(xiàn)轉化成數據，計算出手指移動(dòng)的方向和速度，然后以相對坐標的形式輸出，通過(guò)I2C總線(xiàn)接口與nRF24LE1主芯片進(jìn)行數據通信。光學(xué)手指導航模組如圖1所示。