基于2．4G的智能家居控制系统设计

摘要：无线通信技术不仅广泛应用于工业控制中，在人们的日常生活中也得到大力的推广和应用。本文介绍了基于2．4G无线通信技术的智能家居控制系统设计和实现方法，对系统主要硬件电路进行了设计，并系统地分析了无线通信中的载波监听技术及载荷的数据结构。
关键词：2．4G；智能家居控制系统；无线通信协议

引言
近年来，无线通信技术快速发展，涌现出蓝牙、ZigBee、WiFi和RFID等无线通信技术。无线通信产品因为其便捷性、安全性和易操控性等优点，已经被大多数人接受、采纳和使用。本文设计的基于2．4G智能家居控制系统采用2．405～2．485 GHz无线频段，该频段是国际规定
的免费频段，不需要向国际相关组织缴纳任何费用，为2．4G无线技术可持续发展提供了必要的有利条件。由于2．4G采用全双工模式传输，在抗干扰性能上比之前的27MHz有绝对的优势；传送速率高达2 Mbps，是蓝牙传送速率的两倍，对于较大容量的数据传输更具吸引力。
无线智能家居控制系统在国外一些高档公寓得到广泛的应用，但在国内由于价格昂贵，没有得到普及。本文设计的无线控制系统采用nRF 24LE1无线模块，同时该芯片的开发体系比较成熟。系统中还加入光学手指(OFN)模块，能够远距离对主节点进行操作，实现空中鼠标功能，通过PC界面进行远程操作，真正实现了无线控制。

1 原理分析
1．1 无线模块简介
目前，2．4G无线通信技术中常用的芯片有挪威Nordic公司nRF24LE1无线芯片模组、以色列RFWave公司的RFW102无线芯片模组等。根据设计需求、性能及成本估算，采用nRF24LE1和nRF24LU1+作为处理主芯片进行数据传输。
nRF24LE1用作每个节点的收发主控芯片，其内部有增强型的8051 MCU和内嵌2．4G低功耗无线收发内核nRF24L01P两个部分，空中速率最高达到2 Mbps，保证大容量数据的无线快速传输。MCU和无线收发内核之间通过SPI接口进行通信。该芯片还内嵌很多丰富的模块，尤其是内置128位AES硬件加密器，可对主节点到从节点的无线传输过程进行高强度的加密，确保数据传输的安全，特别满足RFID对高安全性的要求。射频收发器可配置为4种工作模式：掉电模式、待机模式、接收模式和发射模式。通过配置CONFIG寄存的PWR_UP、PRIM_RC、RFCE和RFCSN实现4种模式之间的切换，实现低功耗设计的思想。
nRF24LU1+作为主节点的主控芯片，与PC相连接，通过其内嵌的USB2．0接口，实现与PC之间的通信，确保其时效性和快速性。该芯片内部与nRF24LE1相似，同样包含8051 MCU和无线收发内核nRF24L01P。
1．2 光学手指模块简介
光学手指模块(即光学手指导航模组)依附于nRF24LE1芯片，构成一个节点，实现远程控制终端设备功能。其作用是远程对与PC相连接的主节点端发送数据。根据应用程序响应，通过主节点端发送数据包到需要控制的从节点，控制从节点连接的电器设备。
本系统采用创讯达CD-001型光学手指导航模组，在移动设备的屏幕上实现类似鼠标操作功能。其供电电源电压为2．6～3．3 V，低功耗特性使其可以做成一个由蓄电池供电的手持终端设备。其原理大致为：通过安装在感应区周围的LED发出红外线(波长为870 nm)照射手指，部分红外线将会被反射到感应区，感应区根据这些反射的红外线转化成数据，计算出手指移动的方向和速度，然后以相对坐标的形式输出，通过I2C总线接口与nRF24LE1主芯片进行数据通信。光学手指导航模组如图1所示。