基于2．4G的智能家居控制系統設計

摘要：無線通信技術不僅廣泛應用于工業控制中，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無線通信技術的智能家居控制系統設計和實現方法，對系統主要硬件電路進行了設計，并系統地分析了無線通信中的載波監聽技術及載荷的數據結構。
關鍵詞：2．4G；智能家居控制系統；無線通信協議

引言
近年來，無線通信技術快速發展，涌現出藍牙、ZigBee、WiFi和RFID等無線通信技術。無線通信產品因為其便捷性、安全性和易操控性等優點，已經被大多數人接受、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無線頻段，該頻段是國際規定
的免費頻段，不需要向國際相關組織繳納任何費用，為2．4G無線技術可持續發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。
無線智能家居控制系統在國外一些高檔公寓得到廣泛的應用，但在國內由于價格昂貴，沒有得到普及。本文設計的無線控制系統采用nRF 24LE1無線模塊，同時該芯片的開發體系比較成熟。系統中還加入光學手指(OFN)模塊，能夠遠距離對主節點進行操作，實現空中鼠標功能，通過PC界面進行遠程操作，真正實現了無線控制。

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。根據設計需求、性能及成本估算，采用nRF24LE1和nRF24LU1+作為處理主芯片進行數據傳輸。
nRF24LE1用作每個節點的收發主控芯片，其內部有增強型的8051 MCU和內嵌2．4G低功耗無線收發內核nRF24L01P兩個部分，空中速率最高達到2 Mbps，保證大容量數據的無線快速傳輸。MCU和無線收發內核之間通過SPI接口進行通信。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，可對主節點到從節點的無線傳輸過程進行高強度的加密，確保數據傳輸的安全，特別滿足RFID對高安全性的要求。射頻收發器可配置為4種工作模式：掉電模式、待機模式、接收模式和發射模式。通過配置CONFIG寄存的PWR_UP、PRIM_RC、RFCE和RFCSN實現4種模式之間的切換，實現低功耗設計的思想。
nRF24LU1+作為主節點的主控芯片，與PC相連接，通過其內嵌的USB2．0接口，實現與PC之間的通信，確保其時效性和快速性。該芯片內部與nRF24LE1相似，同樣包含8051 MCU和無線收發內核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，構成一個節點，實現遠程控制終端設備功能。其作用是遠程對與PC相連接的主節點端發送數據。根據應用程序響應，通過主節點端發送數據包到需要控制的從節點，控制從節點連接的電器設備。
本系統采用創訊達CD-001型光學手指導航模組，在移動設備的屏幕上實現類似鼠標操作功能。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備。其原理大致為：通過安裝在感應區周圍的LED發出紅外線(波長為870 nm)照射手指，部分紅外線將會被反射到感應區，感應區根據這些反射的紅外線轉化成數據，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主芯片進行數據通信。光學手指導航模組如圖1所示。