基于nRF24AP1的智能家居設計方案

摘 要 主要介紹了基于nRF24AP1無線網絡芯片智能家居的硬件電路與軟件設計流程，主機通過串口對信道參數進行配置，節點配對，利用ANT協議實現與從機設備數據包的收發，從而實現控制家電的目的。
關鍵詞 智能家居 nRF24AP1 ANT協議 信道配置

引 言
隨著社會信息化的加快，人們對家居的要求早已不只是物理空間，更為關注的是一個安全、方便、舒適的居家環境。為了很好地滿足用戶對家居網絡的靈活性、可靠性以及便捷性等方面的需求，智能家居系統使用無線網絡技術，不但克服了有線系統的高成本和不方便等缺點，而且使用方便，能夠快捷地管理家務、監測家居環境、遙控家用電器等。

1 系統總體結構及工作原理
智能家居系統由主機、從機、接口設備及各家電設備組成，主從機都有一個無線收發芯片，通過主從機間無線數據的收發，實現一個小型的無線智能網絡。芯片 nRF24AP1內部結構包含串行接口UART、時鐘模塊、ANT協議機和1 Mb／s的射頻收發信機等4個模塊。首先MCU通過串口對nRF24AP1進行信道參數配置，nRF24AP1執行配置任務，主機執行發送數據包指令，通過空中接口完成數據信息包的發送與接收；從機接收數據信息，由從MCU執行任務，從而實現控制家電的目的。圖l為系統總體框圖。

2 硬件電路設計
(1)主機電路
處理器模塊選用AVR系列的ATmegal6單片機，并通過鍵盤輸入和液晶顯示，利用nRF24AP1無線收發模塊實現數據的發送和節點設備的控制。MCU和nRF24AP1通過異步串口實現通信。圖2為主機框圖。

(2)從機及接口設備電路
從機通過nRF24AP1進行數據接收，當有數據觸發中斷時，從機MCU從接收緩存中取出數據，并執行控制任務，通過接口設備(如智能開關)實現控制家電的目的。圖3為從機框圖。

3 軟件設計
無線收發芯片nRF24AP1有“休眠”和“待機”兩種省電模式，及配置收發的工作模式。模式與引腳關系如表1所列。

為了降低功耗，主機在大部分時間處于休眠狀態。當有數據發送時SLEEP置低，nRF24Ap1進入工作狀態，而從機始終處于查詢接收狀態。主從機間使用獨立單向信道傳輸數據，主機查詢發送，從機以中斷方式接收控制數據。
ANT是以數據包的形式發送／接收數據，每個數據包的消息格式如下：

ANT協議是二進制協議，每個消息函數都是一個完整的協議數據包，由五部分組成：SYNC、MSG LEN、MSGID、DATA、CHECKSUM。每一部分是8位(1字節)，每個消息以SYNC(OxA4)字節位開始，以CHECKSUM字節結束，以比特的方式發送與接收。當有數據包發送到nRF24AP1接收緩存時，ANT協議根據MSG ID判斷消息的類型，根據MSG LEN判斷數據長度。ANT接收到有效的數據包后，自動移去SYNC、MSG=LEN、MSG ID、CHECKSUM，只留有效數據放在緩存中。從MCU以中斷方式從緩存中提取有效數據，執行控制任務。
3．1 串口初始化配置
ATmega16單片機和無線收發芯片nRF24APl都有UART模塊，在使用前需要進行初始化設置。本設計使用異步串口通信，主從機使用同樣的波特率 19 200。從機波特率由芯片nRF24APl上的引腳BR2、BR1來設置，異步數據以1個起始位、8個數據位、1個停止位以及無校驗的方式進行傳輸。當有串口數據到達從機MCU緩存時產生中斷，從機MCU響應中斷，從接收緩沖區讀取數據。中斷接收設置一個長度為16字節的緩沖區(rx_bufer)，緩沖區設有單獨讀／寫指針，并與緩沖計數器相關聯。串口發送的數據首先通過SendData()寫入發送數據寄存器UDR，然后由硬件自動將其發送到接收數據寄存器UDR。接收數據時，先將接收到的數據寫入rx_buffer，再根據應用需要調用函數GetData()，從緩沖區中取出相應的數據。