基于nRF24AP1的智能家居設(shè)計方案

摘 要 主要介紹了基于nRF24AP1無線網(wǎng)絡(luò)芯片智能家居的硬件電路與軟件設(shè)計流程，主機(jī)通過串口對信道參數(shù)進(jìn)行配置，節(jié)點(diǎn)配對，利用ANT協(xié)議實(shí)現(xiàn)與從機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)包的收發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)控制家電的目的。
關(guān)鍵詞 智能家居 nRF24AP1 ANT協(xié)議 信道配置

引 言
隨著社會信息化的加快，人們對家居的要求早已不只是物理空間，更為關(guān)注的是一個安全、方便、舒適的居家環(huán)境。為了很好地滿足用戶對家居網(wǎng)絡(luò)的靈活性、可靠性以及便捷性等方面的需求，智能家居系統(tǒng)使用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不但克服了有線系統(tǒng)的高成本和不方便等缺點(diǎn)，而且使用方便，能夠快捷地管理家務(wù)、監(jiān)測家居環(huán)境、遙控家用電器等。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理
智能家居系統(tǒng)由主機(jī)、從機(jī)、接口設(shè)備及各家電設(shè)備組成，主從機(jī)都有一個無線收發(fā)芯片，通過主從機(jī)間無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)一個小型的無線智能網(wǎng)絡(luò)。芯片 nRF24AP1內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含串行接口UART、時鐘模塊、ANT協(xié)議機(jī)和1 Mb／s的射頻收發(fā)信機(jī)等4個模塊。首先MCU通過串口對nRF24AP1進(jìn)行信道參數(shù)配置，nRF24AP1執(zhí)行配置任務(wù)，主機(jī)執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)包指令，通過空中接口完成數(shù)據(jù)信息包的發(fā)送與接收；從機(jī)接收數(shù)據(jù)信息，由從MCU執(zhí)行任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)控制家電的目的。圖l為系統(tǒng)總體框圖。

2 硬件電路設(shè)計
(1)主機(jī)電路
處理器模塊選用AVR系列的ATmegal6單片機(jī)，并通過鍵盤輸入和液晶顯示，利用nRF24AP1無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和節(jié)點(diǎn)設(shè)備的控制。MCU和nRF24AP1通過異步串口實(shí)現(xiàn)通信。圖2為主機(jī)框圖。

(2)從機(jī)及接口設(shè)備電路
從機(jī)通過nRF24AP1進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，當(dāng)有數(shù)據(jù)觸發(fā)中斷時，從機(jī)MCU從接收緩存中取出數(shù)據(jù)，并執(zhí)行控制任務(wù)，通過接口設(shè)備(如智能開關(guān))實(shí)現(xiàn)控制家電的目的。圖3為從機(jī)框圖。

3 軟件設(shè)計
無線收發(fā)芯片nRF24AP1有“休眠”和“待機(jī)”兩種省電模式，及配置收發(fā)的工作模式。模式與引腳關(guān)系如表1所列。

為了降低功耗，主機(jī)在大部分時間處于休眠狀態(tài)。當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送時SLEEP置低，nRF24Ap1進(jìn)入工作狀態(tài)，而從機(jī)始終處于查詢接收狀態(tài)。主從機(jī)間使用獨(dú)立單向信道傳輸數(shù)據(jù)，主機(jī)查詢發(fā)送，從機(jī)以中斷方式接收控制數(shù)據(jù)。
ANT是以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送／接收數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)包的消息格式如下：

ANT協(xié)議是二進(jìn)制協(xié)議，每個消息函數(shù)都是一個完整的協(xié)議數(shù)據(jù)包，由五部分組成：SYNC、MSG LEN、MSGID、DATA、CHECKSUM。每一部分是8位(1字節(jié))，每個消息以SYNC(OxA4)字節(jié)位開始，以CHECKSUM字節(jié)結(jié)束，以比特的方式發(fā)送與接收。當(dāng)有數(shù)據(jù)包發(fā)送到nRF24AP1接收緩存時，ANT協(xié)議根據(jù)MSG ID判斷消息的類型，根據(jù)MSG LEN判斷數(shù)據(jù)長度。ANT接收到有效的數(shù)據(jù)包后，自動移去SYNC、MSG=LEN、MSG ID、CHECKSUM，只留有效數(shù)據(jù)放在緩存中。從MCU以中斷方式從緩存中提取有效數(shù)據(jù)，執(zhí)行控制任務(wù)。
3．1 串口初始化配置
ATmega16單片機(jī)和無線收發(fā)芯片nRF24APl都有UART模塊，在使用前需要進(jìn)行初始化設(shè)置。本設(shè)計使用異步串口通信，主從機(jī)使用同樣的波特率 19 200。從機(jī)波特率由芯片nRF24APl上的引腳BR2、BR1來設(shè)置，異步數(shù)據(jù)以1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位以及無校驗(yàn)的方式進(jìn)行傳輸。當(dāng)有串口數(shù)據(jù)到達(dá)從機(jī)MCU緩存時產(chǎn)生中斷，從機(jī)MCU響應(yīng)中斷，從接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。中斷接收設(shè)置一個長度為16字節(jié)的緩沖區(qū)(rx_bufer)，緩沖區(qū)設(shè)有單獨(dú)讀／寫指針，并與緩沖計數(shù)器相關(guān)聯(lián)。串口發(fā)送的數(shù)據(jù)首先通過SendData()寫入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器UDR，然后由硬件自動將其發(fā)送到接收數(shù)據(jù)寄存器UDR。接收數(shù)據(jù)時，先將接收到的數(shù)據(jù)寫入rx_buffer，再根據(jù)應(yīng)用需要調(diào)用函數(shù)GetData()，從緩沖區(qū)中取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。