射頻控制在空調產品的應用

孫鐵軍，吳文新

（廣東美的制冷設備有限公司，佛山 528311）

1 射頻控制在空調產品應用的必要性

1.1 射頻控制較紅外控制有明顯優勢

射頻控制（RF Control），它使用數百兆赫茲或更高頻率的無線電波取代紅外光、物理導線作為控制信息的載體，射頻應用使得紅外控制、有線通信存在的種種限制便蕩然無存，射頻控制與傳統的控制方式比較，具有以下優點：

1.1.1 無方向性

紅外控制最常見、最明顯的局限就是紅外線有很強的方向性，這種連接非常脆弱，如果遙控器的發射端沒有很好的面對接收設備，那么紅外控制就會受到影響。在這種情況下要想關閉空調器，人們甚至不得不直接走到空調器正前方進行相應的操作。射頻的最大特點就是無方向性，不需要“面對面”的操作，只要在發射器和接收器之間沒有金屬的電磁屏蔽器件，射頻就可以暢通地自由通信，距離幾十米，甚至幾千米，人們不需要關心接收器和發射器之間的位置、方向關系。

1.1.2 雙向通信

射頻技術同樣能輕松突破紅外遙控技術的單向通信局限。一旦視線和距離局限得以解決，用戶很快就會發現，確實需要遙控器能夠反饋回來被操控系統的相關情況。例如，人們把空調器設定為定時5小時后打開，如果使用單向控制，那他們沒法確認空調器是否正確的接收了指令，他們常常多次按同一個按鍵以確保空調能收到指令。在理想情況下，人們顯然希望能直接在遙控器上能一目了然的看到控制目標的接收結果、執行情況，這時射頻通信技術可以輕松實現。

1.1.3 呼叫功能

射頻控制的雙向通信還帶來一個很實用的功能，遙控器呼叫功能。我們常常在需要打開空調的時候找不到遙控器。利用射頻控制的雙向特性，我們再也不用費時去找遙控器放到哪里去了，我們只需啟動遙控器的呼叫功能，讓遙控器發光、發聲就能馬上發現它的藏身之處。

1.1.4 穿透能力強

射頻技術同樣能輕松突破紅外遙控技術的穿透能力差局限。紅外控制需要在視線之內進行連接控制，但我們常常會發現，小孩在睡覺時把空調溫度設定得很低，然而把房間的門鎖上了，父母不想打破小孩的美夢但又希望把溫度調高或者關掉空調。紅外控制力所不及的事情，射頻控制輕松地實現這一愿望。

1.1.5 輕松實現組網控制

隨著人們生活水平的提高，一個家庭通常擁有多臺空調器，傳統的紅外控制只能實現單一的控制，需要組網控制則需要復雜的連線，這些布線在房屋裝修時常常都沒有考慮。

射頻控制的應用，它以傳輸距離遠、穿透能力強的優勢，輕松地實現多臺空調器的組網控制，一個監控器可實現全屋空調的監控。空調的設定、運行狀態在監控器上一目了然。

1.2 射頻控制應用有利品牌形象提升

隨著射頻技術的發展、成熟，射頻IC的價格、功耗下降，家電公司紛紛投入射頻控制的研究。2010中國國際消費電子博覽會上，海爾發布了全球首款采用RFID射頻識別技術的電視機遙控器，引起業界很多響應。如果公司率先掌握并應用這技術，不但提高產品性能，對也大大地提升公司的品牌形象。

1.3 節能環保

與紅外遙控相比，射頻遙控還有一個十分明顯的低功耗優勢。射頻遙控器耗電量僅為普通紅外線遙控器的1/30，紅外遙控器一般使用兩節五號或七號電池，通常每年要更換一次電池。而射頻遙控器則可以做到四年更換一次電池。大大減少了電池的使用量，在為用戶提供了便利的同時，也符合低碳、環保的理念。

1.4 射頻控制的應用勢在必行

紅外控制有很多缺點。如方向性強，穿透力差、距離短、只適合單向通訊(雙向通訊很難實施且成本高)。

隨著低能耗射頻芯片逐步進入市場，根據市場調研公司ABI Research最近的研究報告，從現在到2014年，預計射頻遙程控器市場的年增長率將達到55%，射頻控制最終可能在五年內淘汰有幾十年歷史的紅外控制。

2 射頻控制在空調產品應用實例

本應用實例是空調的無線集控器，該集控器能監控全屋美的空調器，通過集控器輕松地設定各空調器的運行參數，監視每臺空調器的運行參數，空調器的運行狀態一目了然。

本實例無線收發單元使用了Nordic公司的nRF24L01模塊，該收發器是Nordic的第三代2.4G無線射頻收發器，nRF24L01是單片射頻收發芯片，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。

2.1 應用電路（見圖1）

2.2 PCB 設計注意事項

圖1 nRF24L0 應用電路圖

在射頻設計中PCB尤其重要，PCB的分區、走線對整體性能影響很大，所以PCB 設計在nRF2401 收發系統開發過程中主要工作之一，若想要一次就設計成功，事先仔細規劃和注重細節才能奏效。PCB設計必須考慮到各種電磁干擾，注意電阻、電容、電感的位置，特別要注意電容的位置。另外還需要考慮阻抗和阻抗匹配、絕緣層材料和層疊板、波長和諧波等。

nRF2401 的PCB 一般都是雙層板，元件放在一層，另外一層全部敷上銅作為地層，元件層的空余地方一般也敷上銅，兩層的敷銅通過過孔相連。nRF2401 的供電電源應通過電容隔開，這樣有利于給nRF2401 提供穩定的電源。在PCB 中，盡量多打一些通孔，使元件層和地層能夠充分接觸。

2.3 空調器的FRID

為了識別每臺空調器，我們需要為每臺空調器設定唯一的身份識別碼（ID）。射頻身份識別(RFID)是射頻控制的技術難點之一，RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取數據。目前我們有兩種實現方法：

表1 nRF24L01 與MCU 端口連接表

2.3.1 靜態ID碼

每臺空調器出廠時已有固定的ID碼，為了簡單起見，我們采用空調器的條形碼，則把空調器的條形碼寫到主控器的EEPROM中，這可以在生產時完成。在生產線上用掃碼器讀取機器的條碼，通過特殊的握手協議把該信息寫到空調主控器的EEPROM里。空調安裝完后，集控器再把通過條形碼信息來完成ID識別。

2.3.2 動態ID碼

每臺空調器出廠時沒有固定的ID碼，空調安裝后，主控器、集控器都進入對碼模式，集控器隨機生產32位的ID碼，再把該ID碼寫到主控器的EEPROM里。為了成功對碼，對碼時發射功率通常只有正常功率的1/8或更小，有效接收距離常常設定在20～30cm左右。

2.4 射頻、紅外對比測試數據（如表2）

表2 射頻與紅外主要性能對比表

3 射頻的電磁兼容分析

3.1 RFI 特性分析

射頻的電磁兼容包括兩層意思，一是射頻設備自身在惡劣的電磁環境中不受干擾能正常工作；第二是設備設備對周邊環境不構成騷擾。

現實的環境中無線電發射源極其豐富，電動機、計算機、移動通信等等。在分析RFI時，常用電場強度來描述：

E為電場強度(V/m)；PT為發射功率（mV/cm2）。

從騷擾元—耦合途徑—接收器的觀點出發，電場強度E是發射功率、天線增益和距離的函數如下：

GA為天線增益；d為騷擾源距離（m）。

對于數字電路，由于他較大的信號擺動和噪聲容限，所以對RF場的一直力更強，RF場可通過電感/電容耦合產生噪聲電壓或噪聲電流。

3.2 RF 屏蔽技術

屏蔽罩不但可以防止外部EMI對RF的影響，還可以防止RF部件對外部的影響。在較低的頻率范圍內，干擾一般發生在近場，當頻率增高時，干擾趨于遠場，此時電場和磁場分量都不能忽略。

屏蔽一般分為電場屏蔽、磁場屏蔽、電磁場屏蔽。屏蔽的有效性采用屏蔽效能來度量，表達式如下：

SEdB=AdB+RdB+BdB

A：吸收損耗（dB）;B：反射損耗（dB）;R：校正因子（dB）;

一個設計合理簡單的屏蔽罩也能使電磁場強度下降到遠離的十分之一。具體采用那種屏蔽要根據實際的電磁環境來選擇。

4 結束語

紅外線存在天生弱點，射頻控制以傳輸距離遠、無障礙、低功耗、支持復雜協議等優點，將逐步取代傳統的紅外遙控方式；射頻控制另一個優點是方便的實現組網控制，射頻控制解決了FRID，為實現家電物聯網奠定基礎。這種技術的應用對消費者和制造商雙方都能帶來雙贏結果。但RF的電磁兼容是設計的一個難點，我們必須克服。

[1]張肅文.高頻電子線路[M].第四版.北京：高等教育出版社，2004.

[2]孫瑜，范平志.射頻識別技術及其在室內定位中的應用[J].計算機應用,2005,(5)1205-1208.