一種基于STC89C52與nRF401的無線網(wǎng)絡(luò)插座設(shè)計(jì)

陳榮軍，李本超，羅文聰，李承霖，邢楚練

（1.廣東技術(shù)師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州　510665；2.中山大學(xué) 南方學(xué)院，廣東 廣州 510970；3.中山大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 廣東 廣州　510006）

一種基于STC89C52與nRF401的無線網(wǎng)絡(luò)插座設(shè)計(jì)

陳榮軍1，2，3，李本超3，羅文聰2，李承霖2，邢楚練2

（1.廣東技術(shù)師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州510665；2.中山大學(xué) 南方學(xué)院，廣東 廣州 510970；3.中山大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 廣東 廣州510006）

隨著市場(chǎng)對(duì)智能家居的需求增大，為此本文設(shè)計(jì)了一種多功能無線網(wǎng)絡(luò)插座，并完成了硬件方案的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試工作。系統(tǒng)包括STC89C52控制模塊、繼電器控制模塊、電源轉(zhuǎn)換器模塊和nRF401無線收發(fā)模塊等。當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)插座接收到家庭網(wǎng)絡(luò)的無線服務(wù)器通過對(duì)應(yīng)無線模塊發(fā)送無線信號(hào)后，經(jīng)過STC89C52控制器解碼輸出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)以控制對(duì)應(yīng)的繼電器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電器開關(guān)的控制，并在控制成功后將用電器運(yùn)行狀態(tài)反饋到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中。智能無線插座，可讓舊式家電被智能控制，有效的解決了家庭無線網(wǎng)絡(luò)中舊家電的浪費(fèi)問題。

無線網(wǎng)絡(luò)插座；STC89C52；nRF401芯片；家庭無線網(wǎng)絡(luò)

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與提升，智能家居的概念和產(chǎn)品相繼在市場(chǎng)中出現(xiàn)。無線插座在90年代后期就在我國(guó)開始出現(xiàn)，現(xiàn)階段的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已經(jīng)達(dá)到很大的飽和狀態(tài)，但在用戶卻不太熱衷于使用這種設(shè)備，其主要原因是用處不大、成本比較高，他們的共同點(diǎn)都是以紅外遙控，或者是有模擬調(diào)制的無線信號(hào)控制，并且是單個(gè)、單向的遙控，屬于短距離的控制，并不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用，從根本上沒有符合家居智能化的理念，不能形成有效的使用模式，與以后智能家居的發(fā)展具有較大的偏差。

將整個(gè)家居體系接入家庭網(wǎng)絡(luò)，通過家庭網(wǎng)絡(luò)來智能監(jiān)測(cè)，控制整個(gè)家居體系必然是當(dāng)下的發(fā)張趨勢(shì)。設(shè)計(jì)一種無線網(wǎng)絡(luò)插座，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通過家庭網(wǎng)絡(luò)對(duì)電器的智能監(jiān)測(cè)與控制將具有實(shí)際意義。

1　總體設(shè)計(jì)方案

為了適應(yīng)將來智能家居的發(fā)展，同時(shí)也為了更好的解決布線，監(jiān)控等提升智能家居的實(shí)用性和靈活性的要求，該插座綜合應(yīng)用了單片機(jī)技術(shù)和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。基于無線的遠(yuǎn)程控制插座，要求與家庭無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起，能夠準(zhǔn)確的接收無線中轉(zhuǎn)站發(fā)出的控制信號(hào)，以及在用戶有需要時(shí)，及時(shí)反饋現(xiàn)有狀態(tài)給用戶。系統(tǒng)主要包括MCU控制模塊、繼電器控制模塊、電源轉(zhuǎn)換器模塊、nRF401無線收發(fā)模塊以及控制狀態(tài)指示模塊等。系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中控制模塊采用STC89C52芯片作為核心，進(jìn)行無線數(shù)據(jù)處理以及控制信號(hào)輸出；繼電器模塊則是根據(jù)來自控制模塊的信號(hào)，進(jìn)行插座的開關(guān)控制；電源模塊則是通過對(duì)市電的轉(zhuǎn)換來提供各個(gè)模塊所需要的電壓；無線模塊則是基于NRF401芯片，完成無線數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制信號(hào)的無線接收，以及插座實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的無線數(shù)據(jù)反饋。用戶不僅可以在室內(nèi)，還可以在戶外實(shí)時(shí)監(jiān)控到開關(guān)插座的運(yùn)行情況，進(jìn)而獲知用電器的運(yùn)行情況。

圖1　系統(tǒng)框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1繼電器控制模塊

繼電器控制模塊［1］采用光耦繼電器，根據(jù)STC89C52單片機(jī)引腳輸出的控制信號(hào)（低有效）進(jìn)行工作，進(jìn)而控制插座的接通與關(guān)斷。其電路原理圖如圖2所示。其中的LED0是繼電器，即插座狀態(tài)的指示燈。當(dāng)插座接通，LED0點(diǎn)亮，反之熄滅。

圖2　繼電器控制模塊

2.2無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

射頻電路的設(shè)計(jì)通常都需要相當(dāng)?shù)臒o線專業(yè)知識(shí)和價(jià)格昂貴的檢測(cè)儀器，這成為了眾多無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)的障礙。但是隨著高度集成的射頻IC芯片產(chǎn)品出現(xiàn)，大大降低了無線通信相關(guān)項(xiàng)目的難度。本方案中采用挪威Nordic公司的nRF401無線數(shù)據(jù)傳輸芯片［2-3］作為無線模塊的收發(fā)處理核心，并配合電容、電阻、電感組成接收發(fā)送回路。nRF401是一個(gè)為433 MHz ISM頻段設(shè)計(jì)的真正單片UHF無線收發(fā)芯片，它采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，它的最高工作速率可以達(dá)到20K，發(fā)射功率可以調(diào)整，最大發(fā)射功率為+10 dBm。該模塊的電路原理如圖3所示，VCC為+5 V，保證芯片本身可以正常工作的情況下與單片機(jī)STC89C52的電源電壓一致，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，由電源模塊直接供電。無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊如圖3所示，圖中的PLUG為獨(dú)立的杜邦接口，使用時(shí)可以直接與單片機(jī)對(duì)應(yīng)接口相連接，具有拆裝替換方便同時(shí)也可以盡量遠(yuǎn)離變壓器等無線干擾源，使無線收發(fā)模塊工作更加穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)電路中，芯片的PWR_UP引腳為模式控制引腳，為“1”表示進(jìn)入正常工作模式，為“0”表示進(jìn)入待機(jī)模式；CS引腳控制發(fā)送接收頻率，為“1”時(shí)，表示頻率為434.32 MHz，為“0”時(shí)，表示頻率為433.92 MHz；TXEN引腳為數(shù)據(jù)傳送模式控制引腳，為“1”表示進(jìn)入發(fā)送模式，為“0”進(jìn)入接收模式；DIN和DOUT分別表示數(shù)據(jù)輸入與輸出引腳。此無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與MCU實(shí)現(xiàn)了雙向的數(shù)據(jù)傳輸，配置容易。

圖3　無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊電路

2.3MCU控制模塊

MCU控制模塊采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器。STC89C52單片機(jī)［4-5］的最小系統(tǒng)由STC89C52芯片，復(fù)位電路、時(shí)鐘電路及外加電源構(gòu)成，其硬件電路如圖4所示。繼電器控制模塊接口均連接到圖2中控制信號(hào)的地方，繼電器與插座可以做成獨(dú)立的模塊，只需引出與單片機(jī)的接口即可。在論文方案中，我們將MCU模塊和繼電器插座模塊整合到了一起。圖中P5顯示的排陣處，表明沒有用的單片機(jī)的接口，需要用上拉電阻進(jìn)行連接，以提高總線的抗干擾能力。無線模塊接口與無線數(shù)據(jù)模塊接口的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：P3_6對(duì)應(yīng)TXEN端；P3_5，P3_4分別對(duì)應(yīng)VCC和GND；P3_3，P3_2分別對(duì)應(yīng)PWR_UP和CS；P3_1和P3_0對(duì)應(yīng)DIN和DOUT。

圖4　單片機(jī)控制模塊

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在軟件方面，考慮到中心處理芯片的資源和速度完全能夠滿足我們的設(shè)計(jì)需求，于是采用了報(bào)文的傳輸模式，并且運(yùn)用奇偶校驗(yàn)、校驗(yàn)和、循環(huán)冗余等方式以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。如果經(jīng)過校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯(cuò)，則馬上進(jìn)入錯(cuò)誤提示程序，并且及時(shí)把插座的現(xiàn)有狀態(tài)反饋給控制端。程序流程圖如圖5所示。

圖5　主程序流程圖

4　測(cè)試結(jié)果

4.1無線數(shù)據(jù)傳輸模塊測(cè)試

系統(tǒng)是建立在一個(gè)家庭無線網(wǎng)絡(luò)中，先對(duì)各個(gè)控制模塊進(jìn)行先關(guān)的單獨(dú)調(diào)試，在各個(gè)模塊均可以正常工作以后，再進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的測(cè)試。這樣就完成了網(wǎng)絡(luò)中第二網(wǎng)絡(luò)層的無線與物理層的連接測(cè)試，然后再在此基礎(chǔ)上完成第二層的網(wǎng)絡(luò)與第一層的連接測(cè)試，最后完成上位機(jī)對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的連接與控制。

其基本指標(biāo)是可以準(zhǔn)確的發(fā)送控制信號(hào)，可降低誤碼率，控制間隔為2 s時(shí)，需滿足成功率為90%以上。測(cè)試無線模塊的發(fā)射端的數(shù)據(jù)信號(hào)與對(duì)應(yīng)接收端的接收信號(hào)。從測(cè)試結(jié)果中，我們可以看出無線數(shù)據(jù)傳輸模塊工作穩(wěn)定。

4.2系統(tǒng)測(cè)試

在完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作之后，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體的測(cè)試，包括控制成功率、反應(yīng)時(shí)間、反饋成功率以及受到干擾程度等，在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下每隔3～4秒點(diǎn)擊一次控制開關(guān)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表中的數(shù)據(jù)，我們可以得出，控制開關(guān)的成功率可以達(dá)到98%以上，插座狀態(tài)反饋的有效率為78%，可見具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

表1　系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

5　結(jié)　論

采用基于單片機(jī)STC89C52的無線網(wǎng)絡(luò)插座是一種基于無線家庭網(wǎng)絡(luò)的拓展組件，適用于家電接入網(wǎng)絡(luò)，對(duì)需要的電器進(jìn)行集中控制。本無線網(wǎng)絡(luò)插座具有體積小，方便攜帶，不用單獨(dú)提供電源，且具有穿越障礙物的特點(diǎn)，在家庭、辦公場(chǎng)所以及現(xiàn)代化樓宇中的智能設(shè)備中均可拓展使用。

［1］朱煜，郭萬(wàn)有，陳鵬.一種延時(shí)時(shí)間可調(diào)的時(shí)間繼電器控制電路設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電元件，2008，28（3）：20-24.

［2］張勝波，馬小軍，詹俊.基于nRF401的無線多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用，2007，23（6-2）：96-97.

［3］張巍，周德儉，馮志君，等.基于無線通信的預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)研究［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2015，28（1）：43-45.

［4］周鵬.基于STC89C52單片機(jī)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（22）：10-13.

［5］吳鍵，候文，鄭賓.基于STC89C52單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2011，7（4）：902-903，919.

［6］賀天柱.基于STC89C51一種便攜式電阻儀的設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（19）：75-77.

Design of wireless network socketbased on STC89C52 and nRF401

CHEN Rong-jun2，LI Ben-chao1，2，3，LUO Wen-cong2，LI Cheng-lin2，XING Chu-lian2
（1.School of Computer Science，Guangdong Polytechnic of Normal University，Guangzhou 510665，China；2.Nanfang College of Sun Yat-sen University，Guangzhou 510970，China；3.School of Information Science and Technology，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510006，China）

As the increasing demands for smart home in the market，this paper designs a scenario of multi-function wireless network socket，achievingits hardware design and test.The system includes MCU control module based on STC89C52，control module based on relays，power converter module and wireless transceiver module based on nRF401.After receiving signal from the wireless server in home network，thecore control module in the wireless network socket outputs corresponding signal to control the corresponding relays，and controlling the appliances switches through network can be achieved.Then，the wireless network socket will send the work status of appliances to network server.Effectively，this scenario can solve the problem that the waste of the old appliances in home network because they can be made smart through the scenario.

wireless network socket；STC89C52；nRF401；home wireless network

TN409

A

1674－6236（2016）09-0166-03

2015-06-25稿件編號(hào)：201506220

廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（2013LYM_0122）；廣東省教育科研“十二五”規(guī)劃2013年度研究項(xiàng)目（2013JK341）

陳榮軍（1978—），男，陜西澄城人，博士，副教授。研究方向：電子電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能信檢測(cè)與處理、數(shù)字圖像處理等。