王 玲，孫冬冬（山東科技大學(xué)，266590）

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基于無(wú)線傳輸模塊NRF24L01的簡(jiǎn)易智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 玲，孫冬冬
（山東科技大學(xué)，266590）

摘要：本文介紹了一個(gè)以STC公司的51系列單片機(jī)為控制器利用NRF24L01無(wú)線通信模塊組建簡(jiǎn)易無(wú)線智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由控制顯示模塊、監(jiān)測(cè)終端、執(zhí)行終端組成。系統(tǒng)可對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度、光照強(qiáng)度、濕度等物理量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，同時(shí)將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸給控制顯示節(jié)點(diǎn)，控制顯示節(jié)點(diǎn)可根據(jù)設(shè)定參量控制終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)操作。試驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)定的各項(xiàng)功能。該系統(tǒng)具有低功耗、低成本、易于組網(wǎng)和維護(hù)、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，具有很好的實(shí)用價(jià)值與市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：STC89C52RC；NRF24L01； OLED；傳感器； 無(wú)線傳輸

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力的發(fā)展，人們的生活水平日益提高，越來(lái)越追求生活環(huán)境的舒適、便利和生活細(xì)節(jié)的控制智能化。智能家居是一個(gè)利用通訊和互聯(lián)網(wǎng)以及綜合布線等技術(shù)，按照人體工學(xué)，融合個(gè)性化的需求，通過(guò)統(tǒng)一的家庭管理平臺(tái)，將與家庭生活息息相關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地集合在一起的系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)以STC89C52為控制器組建了一個(gè)簡(jiǎn)易無(wú)線智能家居系統(tǒng)。本系統(tǒng)由一個(gè)控制顯示模塊、三個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)執(zhí)行終端構(gòu)成。該系統(tǒng)可對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度、亮度和濕度等物理量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，同時(shí)將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸給控制節(jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)可根據(jù)設(shè)定的參量控制終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行適當(dāng)操作，并在顯示屏上顯示出當(dāng)前環(huán)境的溫度、濕度等測(cè)量值。

本設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易智能家具系統(tǒng)還有很大的發(fā)展空間，還可以增加一些其他的功能，如：煙霧報(bào)警、聲控開(kāi)關(guān)等，具有很好的實(shí)用價(jià)值和前景。

1　STC89C52和NRF24L01芯片簡(jiǎn)介

STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。具有 32 位I/O 口線，3 個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷。

nRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz的單片無(wú)線收發(fā)器芯片，芯片內(nèi)置晶體振蕩器、功率放大器、頻率合成器以及調(diào)制器等功能模塊，工作電壓為1.9～3.6 V，有多達(dá)125個(gè)頻道可供選擇，輸出功率和通信信道可以通過(guò)軟件進(jìn)行配置。

nRF24L01采用SPI總線接口與外部微控制器通信，最高可達(dá)10 Mb/s，數(shù)據(jù)發(fā)送傳輸最快可達(dá)2 Mb/s。

NRF24L01采用SPI總線接口與單片機(jī)通信，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或1對(duì)6的無(wú)線通信。數(shù)據(jù)發(fā)送傳輸速度可以達(dá)到 2Mbps。

2　監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)的三個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分別監(jiān)測(cè)周?chē)h(huán)境的溫度、光照、濕度的變化，因此需要溫度傳感器、濕度傳感器和光敏電阻來(lái)分別感知周?chē)h(huán)境溫度、濕度和光照的變化。傳感器輸出的是模擬量，由于STC89C52沒(méi)有自帶的AD轉(zhuǎn)換功能，因此必須外置AD轉(zhuǎn)換芯片。AD轉(zhuǎn)換芯片將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后單片機(jī)讀取AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)行后續(xù)操作。本次設(shè)計(jì)選擇的AD轉(zhuǎn)換芯片是ADC0832。基于STC89C52控制的ADC0832的轉(zhuǎn)換程序十分簡(jiǎn)單，應(yīng)用起來(lái)非常方便。

3　執(zhí)行終端設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)的兩個(gè)執(zhí)行終端分別為風(fēng)扇和LED燈。風(fēng)扇可以根據(jù)環(huán)境的濕度來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，LED燈可以根據(jù)光照的強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)亮度。二者的調(diào)節(jié)原理都是根據(jù)PWM來(lái)調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)STC89C52輸出PWM的頻率和占空比可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和燈泡亮度的調(diào)節(jié)。

4　控制顯示節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理

控制顯示節(jié)點(diǎn)是由STC89C52控制OLED12864顯示屏來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該顯示屏厚度可以小于1毫米，并且重量輕，制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，發(fā)光效率高，能耗低；OLED沒(méi)有視角范圍的限制，可視角一般可以達(dá)到160度，OLED還可以彎曲，應(yīng)用范圍極廣?？刂?/p>

模塊的主要功能是負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信，并且把接收的終端節(jié)點(diǎn)信息顯示到OLED顯示屏上，并發(fā)送相應(yīng)的信息給終端節(jié)點(diǎn)，控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和LED的亮度。OLED12864顯示屏采用SPI通信協(xié)議，STC89C52可以模擬SPI，因此也可以實(shí)現(xiàn)正常顯示。

5　NRF24L01實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)原理

NRF24L01擁有一個(gè)發(fā)送通道和六個(gè)接收通道，可以接收六路不同的數(shù)據(jù)，可以用于多機(jī)通信，針對(duì)本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)主控節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)以及執(zhí)行終端的通信。只有收發(fā)地址相互匹配的兩個(gè)NRF24L01模塊才能實(shí)現(xiàn)通信。如果給主機(jī)的六個(gè)接收通道分別設(shè)置不同的接收地址，那么主機(jī)就可以根據(jù)不同的地址來(lái)與相應(yīng)的從機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。

NRF24L01共有六個(gè)接收通道，其中通道0和通道1的地址的地址都是40位，通道2、3、4、5的高32位地址必須與通道1相同，低8位可以自由設(shè)置。這些地址原則上可以任意設(shè)置，但是要保證主從機(jī)的地址匹配。

由于主機(jī)需要根據(jù)不同的通道地址對(duì)相應(yīng)的從機(jī)進(jìn)行識(shí)別，所以所有主從機(jī)應(yīng)處于同一個(gè)頻道。而且需要使能所有的接收通道即NRF24L01_Write_Reg（WRITE_REG+EN_RXADDR，0x3F）和使能所有接收通道的自動(dòng)應(yīng)答。自動(dòng)應(yīng)答功能時(shí)發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)給接收方，如果接收方成功收到數(shù)據(jù)，就立刻以原地址向發(fā)送方發(fā)送收到信號(hào)，而發(fā)送方在發(fā)送一次數(shù)據(jù)之后，就立刻轉(zhuǎn)為接收模式.如果在有效時(shí)間內(nèi)收到應(yīng)答信號(hào)，則STATUS寄存器的第5位TX_DS置1，IRQ引腳產(chǎn)生低電平中斷（置0）。自動(dòng)應(yīng)答是NRF24L01功能中自帶的，開(kāi)啟此功能后，當(dāng)發(fā)送貨或接收完數(shù)據(jù)后，NRF模塊中的硬件會(huì)自動(dòng)做出反應(yīng)，不用再編寫(xiě)額外的應(yīng)答程序。

自動(dòng)應(yīng)答功能是接收方以接收到的數(shù)據(jù)的發(fā)送地址為目的地址，發(fā)送給發(fā)送方一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，表示數(shù)據(jù)已經(jīng)成接收，可以進(jìn)行下一步操作。而對(duì)于發(fā)送方來(lái)說(shuō)，在發(fā)送端，數(shù)據(jù)通道0被用來(lái)接收確認(rèn)信息，因此發(fā)送端的數(shù)據(jù)通道0的地址必須等于發(fā)送地址，這樣才能收到應(yīng)答信息。當(dāng)需要訪問(wèn)不同的從機(jī)時(shí)只需要將發(fā)送地址和通道零的接收地址更改為從機(jī)地址即可。該組網(wǎng)方法可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)主機(jī)與多個(gè)從機(jī)的通信，十分符合本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的無(wú)線通信功能。

6　結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)利用NRF24L01的組網(wǎng)功能，將控制節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞铰?lián)系起來(lái)，組成一個(gè)整體的協(xié)調(diào)的系統(tǒng)，達(dá)到監(jiān)測(cè)和控制的目的，成為一個(gè)簡(jiǎn)易的智能家居的系統(tǒng)，此種組網(wǎng)方式控制簡(jiǎn)單，操作方便靈活，可以推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

［1］ 朱桂峰.基于nRF24L01的無(wú)線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的研究與設(shè)計(jì)［D］. 保定：河北大學(xué)，2011.

［2］ 海創(chuàng).無(wú)線收發(fā)模塊NRF24L01開(kāi)發(fā)包資料［J］.海創(chuàng)電子科技.2010

Design of a simple smart home system based on wireless transmission module NRF24L01

Wang Ling，Sun Dongdong
（Shandong University of Science and Technology，266590）

Abstract：This paper introduces a STC company's 51 series microcontroller as the controller using NRF24L01 wireless communication module to set up a simple wireless smart home system design.The system consists of a control display module，a monitoring terminal and an executive terminal.System of each monitoring point temperature，light illumination intensity，humidity and other physical quantities were automatically detected.At the same time，the measurement results of real-time transmission to control the display node，control and display nodes according to the set parameter control terminal nodes to execute the corresponding operation.The experimental results show that the designed system achieves the predetermined functions.The system has the characteristics of low power consumption，low cost，easy networking and maintenance，good expansibility and so on.It has good practical value and market prospect.

Keywords：STC89C52RC； NRF24L01；OLED；sensor；wireless transmission