一種基于NRF905的智能家居無線遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

董設(shè)建

摘要：設(shè)計(jì)了一種以STC89LE52和NRF905為核心的智能家居無線遙控系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和部分硬件電路，闡述了其工作原理及編程實(shí)現(xiàn)方法。經(jīng)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)具有小巧靈便、工作穩(wěn)定可靠、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，不僅可用于智能家居無線遙控系統(tǒng)，也可用于其他領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：智能家居 STC89LE52 無線遙控 NRF905

1 概述

當(dāng)代科學(xué)技術(shù)日新月異，越來越智能化、信息化、高速度及集成化以及網(wǎng)絡(luò)化，而其中的通信技術(shù)又以無線通信最具有發(fā)展?jié)摿?。無線通信系統(tǒng)由于不需要傳輸線纜、組網(wǎng)靈活方便、成本低廉，智能設(shè)備只需要配上相應(yīng)的無線通信接口電路，就可以實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的無線通信任務(wù)，因而比有線通信技術(shù)具有更大的優(yōu)越性。就連商業(yè)購物活動(dòng)也由傳統(tǒng)的實(shí)體店購物，漸漸轉(zhuǎn)化為有線互聯(lián)網(wǎng)的虛擬購物，再向無線的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)購物發(fā)展。相信不久的將來，無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)融入到人類社會(huì)的生活及生產(chǎn)的各個(gè)方面，并且逐漸變?yōu)樽钪饕耐ㄐ攀侄沃弧?/p>

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)STC89LE52為核心，采用NRF905無線通信模塊，設(shè)計(jì)了一種適用于智能家居產(chǎn)品的多路無線遙控系統(tǒng)。當(dāng)然，此系統(tǒng)也適用于其他無線通信的場(chǎng)合。

2 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)的方案框圖如圖1所示，主要包括發(fā)射遙控器與接收控制器兩部分。本方案采用宏晶科技公司生產(chǎn)的STC89LE52單片機(jī)作為MCU控制器，該款單片機(jī)具有高速、高可靠、超強(qiáng)抗靜電、超強(qiáng)抗干擾、超低功耗（掉電模式下功耗小于0.1uA，掉電模式可由外部中斷喚醒）等優(yōu)點(diǎn)，采用3V供電，適合于電池供電系統(tǒng)。

其中，發(fā)射遙控器作為控制主機(jī)，通過按鍵發(fā)送從機(jī)的地址以及控制方式，可以對(duì)家庭中任意一個(gè)裝有接收控制器的從機(jī)以不同方式進(jìn)行控制：如亮燈方式可控的客廳吊燈控制、電視機(jī)的開關(guān)控制、具有預(yù)防兒童觸電功能的無線智能插座控制等，以便帶給你一個(gè)安全、低耗、便捷、舒適的居家環(huán)境。而從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)送過來的控制指令執(zhí)行控制動(dòng)作，根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)可選擇多達(dá)7種控制模式，從機(jī)控制采用繼電器控制方式。

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無線通信模塊采用NRF905芯片為核心，該芯片為Nordic VLSI公司設(shè)計(jì)，具有體積小、CRC校驗(yàn)、抗干擾性強(qiáng)、多通道多頻段、通信穩(wěn)定等特點(diǎn)，特別適合于工業(yè)控制場(chǎng)合。

NRF905有四種工作模式，分別由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP 3個(gè)引腳的狀態(tài)來決定，如表1所示。

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3 硬件設(shè)計(jì)

MCU采用STC89LE52作為主控制器，采用3V供電，因此NRF905模塊的管腳都可以直接和STC89LE52的I/0口相連。而與NRF905的SPI總線通信方式可用單片機(jī)的普通I/0口模擬。STC89LE52控制NRF905的無線發(fā)射/接收模塊的硬件原理設(shè)計(jì)及相關(guān)接線如圖2所示。

3.1 發(fā)射遙控器設(shè)計(jì)

發(fā)射遙控器電路主要包括從機(jī)地址及控制方式撥碼鍵盤、MCU、無線通信模塊電路、掉電喚醒電路和LED工作顯示電路等部分。其中，MCU選用STC89LE52，NRF905的工作頻率為433MHz。MCU通過其I/O口控制NRF905的發(fā)射工作，以及收集其相關(guān)狀態(tài)的反饋信息。

另外，由于發(fā)射遙控器采用電池工作，因此低功耗是我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一個(gè)重要方面。當(dāng)NRF905以10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)，其消耗的電流小于20mA；在關(guān)機(jī)模式下，NRF905的工作電流最小，一般為2.5uA。另外，STC89LE52的正常工作電流為4～7mA；掉電模式下，典型功耗小于0.1uA。因此，當(dāng)發(fā)射控制器不工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先讓NRF905處于關(guān)機(jī)模式，然后讓STC89LE52處于掉電模式下；而以10dBm的發(fā)射功率工作時(shí)，發(fā)射控制器的最大功耗不超過30mA，且其工作過程非常短暫。這樣就大大降低了發(fā)射控制器的功耗，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

3.2 接收控制器設(shè)計(jì)

接收控制器電路主要包括MCU、無線通信模塊電路、直流穩(wěn)壓電源、繼電器控制輸出等部分。其中MCU采用STC89LE52，無線通信模塊電路與發(fā)射遙控器的一樣。由于接收控制器安裝在交流220V的燈具、開關(guān)機(jī)插座等上，因此采用+3V的直流穩(wěn)壓電源對(duì)其進(jìn)行供電，不必要考慮其功耗問題。

4 軟件設(shè)計(jì)

發(fā)射遙控器的軟件編程主要包括初始化、喚醒程序、發(fā)送程序以及低功耗程序幾個(gè)部分，接收控制器的軟件編程主要包括初始化和接收程序兩個(gè)部分。

發(fā)射遙控器的掉電喚醒程序?yàn)椋寒?dāng)發(fā)射遙控器接收到需要發(fā)射數(shù)據(jù)的指令時(shí)，首先需要使用INT0下降沿中斷程序喚醒單片機(jī)進(jìn)入工作模式，點(diǎn)亮工作指示燈，然后用MCU喚醒NRF905從關(guān)機(jī)模式進(jìn)入待機(jī)模式，接著保存按鍵過程中留下的從機(jī)地址及控制方式等數(shù)據(jù)。發(fā)射遙控器的低功耗程序?yàn)椋篗CU先將NRF905轉(zhuǎn)到掉電模式，然后MCU將自己轉(zhuǎn)到掉電模式。

上述發(fā)射遙控器的兩個(gè)程序較簡(jiǎn)單，此處不做詳細(xì)闡述，下面只介紹初始化、發(fā)送和接收三個(gè)程序的編程過程。其中，發(fā)射遙控器與接收控制器的初始化程序大致相同，只不過接收控制器的初始化程序中沒有中斷程序的初始化。

4.1 初始化

首先初始化NRF905的射頻配置寄存器：CH_NO配置頻段在433MHz，輸出功率為10db，不重發(fā)，節(jié)電為空閑模式，地址有效寬度設(shè)為1字節(jié)，有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1字節(jié)，接收地址預(yù)設(shè)，CRC允許，8位CRC效驗(yàn)，外部時(shí)鐘信號(hào)不使能，采用外部16M時(shí)鐘晶振。然后初始化掉電喚醒的INT0配置：開總中斷，開INT0中斷，INT0中斷下降沿觸發(fā)。

4.2 發(fā)送程序

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MCU首先通過SPI總線方式將需要發(fā)送的地址和數(shù)據(jù)都寫入NRF905相應(yīng)的寄存器中，然后將NRF905切換到發(fā)送模式，這個(gè)過程中需要延時(shí)650ns，再后就是啟動(dòng)NRF905發(fā)送一次（TRX_CE跳變一次）數(shù)據(jù)，接著等待發(fā)送結(jié)束。發(fā)送過程程序的流程如圖3所示。

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4.3 接收程序

接收控制器初始化之后，大部分時(shí)間均是捕捉發(fā)射遙控器的信號(hào)，并按指定的控制方式進(jìn)行工作。因此，在其初始化后，就直接切換到接收模式（PWR_UP=1、TX_EN=0、TRX_CE=1），這個(gè)過程中需要延時(shí)650ns，接著就是MCU等待并檢測(cè)NRF905的相關(guān)管腳的變更情況。首先查看AM管腳，如果AM=1，則表示地址匹配正確，然后判斷DR管腳，如果DR=1，則表示數(shù)據(jù)接收對(duì)而且CRC校驗(yàn)正確。至此，即可將NRF905切換到待機(jī)模式讀取數(shù)據(jù)，并按接收到的控制方式改變MCU的控制輸出。然后，再次切換到接收模式，重新捕捉發(fā)射遙控器的信號(hào)。接收數(shù)據(jù)程序的流程圖如圖4所示。

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5 小結(jié)

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，本設(shè)計(jì)小巧靈便，工作穩(wěn)定可靠，在室內(nèi)3層以內(nèi)能實(shí)現(xiàn)可靠通信，抗干擾性能力較強(qiáng)，完全可以滿足智能家居的使用。而其低成本、易擴(kuò)展、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，使之非常容易擴(kuò)展到其他領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

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