摘要：智能家居技术在近几年快速的发展，本文介绍了一种采用STC12C5A60S2增强型51芯片作为微控制器，基于nRF24L01无线数据传输芯片的智能的无线智能家居网络系统。通过nRF24L01提供的无线连接和RS-232接口，实现各部分之间的通信和控制。重点介绍了该系统的总体架构和其主要硬件模块的设计。
关键词：智能家居 无线 nRF24L01 控制系统
一、概述
随着科技的发展，智能家居的日渐兴起给人们的家居生活带来了全新的感受，家居智能已成为一种趋势。智能家居中各种与信息相关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置，通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。这些功能都是通过智能家居系统中的家庭网络控制器未实现的，家庭网络控制器具有家庭总线系统、通过家庭总线系统提供各种服务功能、并和住宅以外的外部世界相通连。可以这样说，智能家居系统是智能住宅的核心。由此可见，智能家居系统在智能住宅中的重要地位。
智能家居系统控制方式的解决方案分为有线方式和无线方式。由于多数智能家居系统的布线工程比较费事，所以在一些新的智能家居商家所研发的系统，就立足解决这个难题。目前这一问题虽然没有得到完全、彻底地解决，有难以满足视频和音频信号的传输，保密性差，接入设备昂贵等缺点。但随着4G网络技术的成熟，将会得到更好的应用和发展。所以就算价格就相对高一些，有的进口系统价位甚至高达10万元以上，还有部分系统采用的蓝牙技术，其产品也更为昂贵。即便如此，无线方式解决了布线的难题，随着网络技术的进步，已能基本满足视频和音频信号的传输。本文以2.4G射频技术为基础介绍一种性价比较高的智能家居控制系统。
二、智能家居控制系统设计方案
1.系统总体结构及工作原理
智能家居系统的总体设计主要包括了网络协议、系统硬件和系统软件三个主要的部分。智能家居系统由主机、从机、接口设备及各家电设备组成，主从机都有一个无线收发芯片，通过主从机间无线数据的收发，实现一个小型的无线智能网络。网络协议我们参考OSI模型，结合nRF24L01芯片的特性，以采用模块化、通用性设备为原则设计硬件电路，采用集中控制技术的控制方式，通过一个以单片机为核心的系统主机来构建，中心处理单元（CPU）负责系统的信号处理。同时把系统设备进行硬件功能划分，统一设计、统一接口，各硬件模块具有双向通信能力，以及互操作性和互换性，其控制部件都可以编程，增加了模块的通用性和实用性，为系统升级和维护提供有力的保障。
硬件收发模块采用一种新型单片射频收发器件nRF24L01，定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。nRF24L01是NORDIC公司生产的2.4GHz单片射频收发芯片,内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，采用FSK调制,内嵌NORDIC公司的增强型Enhanced Shock Burst技术，内置链路层，可实现点对点或是1对6无线通信。其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置，有125个可选工作频道，频道切换时间短，可用于跳频，通过跳频可以减少干扰。首先MCU通过串口对nRF24L01进行信道参数配置，nRF24L01执行配置任务，主机执行发送数据包指令，通过空中接口完成数据信息包的发送与接收；从机接收数据信息，由从MCU执行任务，从而实现控制家电的目的。图l为系统总体框图。
图1 系统总体结构框图
2.主要硬件电路设计
(1)控制中心电路
控制中心节点在2.4G网络中充当协调器节点的角色，主要负责2.4G网络的建立，节点的管理等任务。在本系统中，控制中心节点需要对接受的数据进行处理，并通过键盘输入和液晶显示，以及通过RS-232串口与PC机连接通信。
3.串口通信单元设计
STC12C5A60S2增强型51芯片有一组串行口接口。本设计采用RS-232的9针D型连接器，在最简单的串行通信中，只需3根通信线连接：TXD串行数据发送，RXD串行数据接收以及GND信号地线。
4.无线收发模块
根据硬件设计要求各个因素，在基于2.4G无线传输控制网络智能家居设计中，采用了工作在2.4GHz频段的射频片nRF2401。单片射频收发芯片nRF2401工作于2.4～2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。
5.传感器电路设计
控制中心节点通过nRF24L01无线模块，接收各个传感器节点所发送过来的信息，并通过串口模块，把信息发送到上位机，在上位机的软件界面上直观地把各种数据呈现给使用者。传感器节点硬件主要由电源模块、时钟模块、无线模块、传感器模块组成。
三、结语
本文的智能家居系统利用无线网路芯片nRF24L01传输数据，硬件电路简单以增强型STC芯片作为系统节点控制器，极大地提高了系统的可靠性和稳定性。本系统使用方便,成本较低，超低功耗，集开放性、交互性、协作性、通用性、便携性等特点，使用稳定可靠，效率高，有良好的扩展性。
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