關于無線智能家居控制系統的研究

摘要：智能家居技術在近幾年快速的發展，本文介紹了一種采用STC12C5A60S2增強型51芯片作為微控制器，基于nRF24L01無線數據傳輸芯片的智能的無線智能家居網絡系統。通過nRF24L01提供的無線連接和RS-232接口，實現各部分之間的通信和控制。重點介紹了該系統的總體架構和其主要硬件模塊的設計。

關鍵詞：智能家居 無線 nRF24L01 控制系統

一、概述

隨著科技的發展，智能家居的日漸興起給人們的家居生活帶來了全新的感受，家居智能已成為一種趨勢。智能家居中各種與信息相關的通訊設備、家用電器和家庭保安裝置，通過家庭總線技術連接到一個家庭智能化系統上進行集中的或異地的監視、控制和家庭事務性管理，并保持這些家庭設施與住宅環境的和諧與協調。這些功能都是通過智能家居系統中的家庭網絡控制器未實現的，家庭網絡控制器具有家庭總線系統、通過家庭總線系統提供各種服務功能、并和住宅以外的外部世界相通連。可以這樣說，智能家居系統是智能住宅的核心。由此可見，智能家居系統在智能住宅中的重要地位。

智能家居系統控制方式的解決方案分為有線方式和無線方式。由于多數智能家居系統的布線工程比較費事，所以在一些新的智能家居商家所研發的系統，就立足解決這個難題。目前這一問題雖然沒有得到完全、徹底地解決，有難以滿足視頻和音頻信號的傳輸，保密性差，接入設備昂貴等缺點。但隨著4G網絡技術的成熟，將會得到更好的應用和發展。所以就算價格就相對高一些，有的進口系統價位甚至高達10萬元以上，還有部分系統采用的藍牙技術，其產品也更為昂貴。即便如此，無線方式解決了布線的難題，隨著網絡技術的進步，已能基本滿足視頻和音頻信號的傳輸。本文以2.4G射頻技術為基礎介紹一種性價比較高的智能家居控制系統。

二、智能家居控制系統設計方案

1.系統總體結構及工作原理

智能家居系統的總體設計主要包括了網絡協議、系統硬件和系統軟件三個主要的部分。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。網絡協議我們參考OSI模型，結合nRF24L01芯片的特性，以采用模塊化、通用性設備為原則設計硬件電路，采用集中控制技術的控制方式，通過一個以單片機為核心的系統主機來構建，中心處理單元（CPU）負責系統的信號處理。同時把系統設備進行硬件功能劃分，統一設計、統一接口，各硬件模塊具有雙向通信能力，以及互操作性和互換性，其控制部件都可以編程，增加了模塊的通用性和實用性，為系統升級和維護提供有力的保障。

硬件收發模塊采用一種新型單片射頻收發器件nRF24L01，定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數據服務和物理層管理服務。nRF24L01是NORDIC公司生產的2.4GHz單片射頻收發芯片，內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，采用FSK調制，內嵌NORDIC公司的增強型Enhanced Shock Burst技術，內置鏈路層，可實現點對點或是1對6無線通信。其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置，有125個可選工作頻道，頻道切換時間短，可用于跳頻，通過跳頻可以減少干擾。首先MCU通過串口對nRF24L01進行信道參數配置，nRF24L01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。

圖1 系統總體結構框圖

2.主要硬件電路設計

(1)控制中心電路

控制中心節點在2.4G網絡中充當協調器節點的角色，主要負責2.4G網絡的建立，節點的管理等任務。在本系統中，控制中心節點需要對接受的數據進行處理，并通過鍵盤輸入和液晶顯示，以及通過RS-232串口與PC機連接通信。

3.串口通信單元設計

STC12C5A60S2增強型51芯片有一組串行口接口。本設計采用RS-232的9針D型連接器，在最簡單的串行通信中，只需3根通信線連接：TXD串行數據發送，RXD串行數據接收以及GND信號地線。

4.無線收發模塊

根據硬件設計要求各個因素，在基于2.4G無線傳輸控制網絡智能家居設計中，采用了工作在2.4GHz頻段的射頻片nRF2401。單片射頻收發芯片nRF2401工作于2.4～2.5GHz ISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發射時，工作電流只有10.5mA，接收時工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節能設計更方便。其DuoCeiverTM技術使nRF2401可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數據。

5.傳感器電路設計

控制中心節點通過nRF24L01無線模塊，接收各個傳感器節點所發送過來的信息，并通過串口模塊，把信息發送到上位機，在上位機的軟件界面上直觀地把各種數據呈現給使用者。傳感器節點硬件主要由電源模塊、時鐘模塊、無線模塊、傳感器模塊組成。

三、結語

本文的智能家居系統利用無線網路芯片nRF24L01傳輸數據，硬件電路簡單以增強型STC芯片作為系統節點控制器，極大地提高了系統的可靠性和穩定性。本系統使用方便，成本較低，超低功耗，集開放性、交互性、協作性、通用性、便攜性等特點，使用穩定可靠，效率高，有良好的擴展性。

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