射頻控制在空調(diào)產(chǎn)品的應(yīng)用

孫鐵軍，吳文新

（廣東美的制冷設(shè)備有限公司，佛山 528311）

1 射頻控制在空調(diào)產(chǎn)品應(yīng)用的必要性

1.1 射頻控制較紅外控制有明顯優(yōu)勢

射頻控制（RF Control），它使用數(shù)百兆赫茲或更高頻率的無線電波取代紅外光、物理導(dǎo)線作為控制信息的載體，射頻應(yīng)用使得紅外控制、有線通信存在的種種限制便蕩然無存，射頻控制與傳統(tǒng)的控制方式比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.1.1 無方向性

紅外控制最常見、最明顯的局限就是紅外線有很強(qiáng)的方向性，這種連接非常脆弱，如果遙控器的發(fā)射端沒有很好的面對接收設(shè)備，那么紅外控制就會受到影響。在這種情況下要想關(guān)閉空調(diào)器，人們甚至不得不直接走到空調(diào)器正前方進(jìn)行相應(yīng)的操作。射頻的最大特點(diǎn)就是無方向性，不需要“面對面”的操作，只要在發(fā)射器和接收器之間沒有金屬的電磁屏蔽器件，射頻就可以暢通地自由通信，距離幾十米，甚至幾千米，人們不需要關(guān)心接收器和發(fā)射器之間的位置、方向關(guān)系。

1.1.2 雙向通信

射頻技術(shù)同樣能輕松突破紅外遙控技術(shù)的單向通信局限。一旦視線和距離局限得以解決，用戶很快就會發(fā)現(xiàn)，確實(shí)需要遙控器能夠反饋回來被操控系統(tǒng)的相關(guān)情況。例如，人們把空調(diào)器設(shè)定為定時5小時后打開，如果使用單向控制，那他們沒法確認(rèn)空調(diào)器是否正確的接收了指令，他們常常多次按同一個按鍵以確保空調(diào)能收到指令。在理想情況下，人們顯然希望能直接在遙控器上能一目了然的看到控制目標(biāo)的接收結(jié)果、執(zhí)行情況，這時射頻通信技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)。

1.1.3 呼叫功能

射頻控制的雙向通信還帶來一個很實(shí)用的功能，遙控器呼叫功能。我們常常在需要打開空調(diào)的時候找不到遙控器。利用射頻控制的雙向特性，我們再也不用費(fèi)時去找遙控器放到哪里去了，我們只需啟動遙控器的呼叫功能，讓遙控器發(fā)光、發(fā)聲就能馬上發(fā)現(xiàn)它的藏身之處。

1.1.4 穿透能力強(qiáng)

射頻技術(shù)同樣能輕松突破紅外遙控技術(shù)的穿透能力差局限。紅外控制需要在視線之內(nèi)進(jìn)行連接控制，但我們常常會發(fā)現(xiàn)，小孩在睡覺時把空調(diào)溫度設(shè)定得很低，然而把房間的門鎖上了，父母不想打破小孩的美夢但又希望把溫度調(diào)高或者關(guān)掉空調(diào)。紅外控制力所不及的事情，射頻控制輕松地實(shí)現(xiàn)這一愿望。

1.1.5 輕松實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)控制

隨著人們生活水平的提高，一個家庭通常擁有多臺空調(diào)器，傳統(tǒng)的紅外控制只能實(shí)現(xiàn)單一的控制，需要組網(wǎng)控制則需要復(fù)雜的連線，這些布線在房屋裝修時常常都沒有考慮。

射頻控制的應(yīng)用，它以傳輸距離遠(yuǎn)、穿透能力強(qiáng)的優(yōu)勢，輕松地實(shí)現(xiàn)多臺空調(diào)器的組網(wǎng)控制，一個監(jiān)控器可實(shí)現(xiàn)全屋空調(diào)的監(jiān)控?？照{(diào)的設(shè)定、運(yùn)行狀態(tài)在監(jiān)控器上一目了然。

1.2 射頻控制應(yīng)用有利品牌形象提升

隨著射頻技術(shù)的發(fā)展、成熟，射頻IC的價格、功耗下降，家電公司紛紛投入射頻控制的研究。2010中國國際消費(fèi)電子博覽會上，海爾發(fā)布了全球首款采用RFID射頻識別技術(shù)的電視機(jī)遙控器，引起業(yè)界很多響應(yīng)。如果公司率先掌握并應(yīng)用這技術(shù)，不但提高產(chǎn)品性能，對也大大地提升公司的品牌形象。

1.3 節(jié)能環(huán)保

與紅外遙控相比，射頻遙控還有一個十分明顯的低功耗優(yōu)勢。射頻遙控器耗電量僅為普通紅外線遙控器的1/30，紅外遙控器一般使用兩節(jié)五號或七號電池，通常每年要更換一次電池。而射頻遙控器則可以做到四年更換一次電池。大大減少了電池的使用量，在為用戶提供了便利的同時，也符合低碳、環(huán)保的理念。

1.4 射頻控制的應(yīng)用勢在必行

紅外控制有很多缺點(diǎn)。如方向性強(qiáng)，穿透力差、距離短、只適合單向通訊(雙向通訊很難實(shí)施且成本高)。

隨著低能耗射頻芯片逐步進(jìn)入市場，根據(jù)市場調(diào)研公司ABI Research最近的研究報告，從現(xiàn)在到2014年，預(yù)計射頻遙程控器市場的年增長率將達(dá)到55%，射頻控制最終可能在五年內(nèi)淘汰有幾十年歷史的紅外控制。

2 射頻控制在空調(diào)產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)例

本應(yīng)用實(shí)例是空調(diào)的無線集控器，該集控器能監(jiān)控全屋美的空調(diào)器，通過集控器輕松地設(shè)定各空調(diào)器的運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)視每臺空調(diào)器的運(yùn)行參數(shù)，空調(diào)器的運(yùn)行狀態(tài)一目了然。

本實(shí)例無線收發(fā)單元使用了Nordic公司的nRF24L01模塊，該收發(fā)器是Nordic的第三代2.4G無線射頻收發(fā)器，nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM 頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm 的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5mA，接收時工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計更方便。

2.1 應(yīng)用電路（見圖1）

2.2 PCB 設(shè)計注意事項(xiàng)

圖1 nRF24L0 應(yīng)用電路圖

在射頻設(shè)計中PCB尤其重要，PCB的分區(qū)、走線對整體性能影響很大，所以PCB 設(shè)計在nRF2401 收發(fā)系統(tǒng)開發(fā)過程中主要工作之一，若想要一次就設(shè)計成功，事先仔細(xì)規(guī)劃和注重細(xì)節(jié)才能奏效。PCB設(shè)計必須考慮到各種電磁干擾，注意電阻、電容、電感的位置，特別要注意電容的位置。另外還需要考慮阻抗和阻抗匹配、絕緣層材料和層疊板、波長和諧波等。

nRF2401 的PCB 一般都是雙層板，元件放在一層，另外一層全部敷上銅作為地層，元件層的空余地方一般也敷上銅，兩層的敷銅通過過孔相連。nRF2401 的供電電源應(yīng)通過電容隔開，這樣有利于給nRF2401 提供穩(wěn)定的電源。在PCB 中，盡量多打一些通孔，使元件層和地層能夠充分接觸。

2.3 空調(diào)器的FRID

為了識別每臺空調(diào)器，我們需要為每臺空調(diào)器設(shè)定唯一的身份識別碼（ID）。射頻身份識別(RFID)是射頻控制的技術(shù)難點(diǎn)之一，RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取數(shù)據(jù)。目前我們有兩種實(shí)現(xiàn)方法：

表1 nRF24L01 與MCU 端口連接表

2.3.1 靜態(tài)ID碼

每臺空調(diào)器出廠時已有固定的ID碼，為了簡單起見，我們采用空調(diào)器的條形碼，則把空調(diào)器的條形碼寫到主控器的EEPROM中，這可以在生產(chǎn)時完成。在生產(chǎn)線上用掃碼器讀取機(jī)器的條碼，通過特殊的握手協(xié)議把該信息寫到空調(diào)主控器的EEPROM里?？照{(diào)安裝完后，集控器再把通過條形碼信息來完成ID識別。

2.3.2 動態(tài)ID碼

每臺空調(diào)器出廠時沒有固定的ID碼，空調(diào)安裝后，主控器、集控器都進(jìn)入對碼模式，集控器隨機(jī)生產(chǎn)32位的ID碼，再把該ID碼寫到主控器的EEPROM里。為了成功對碼，對碼時發(fā)射功率通常只有正常功率的1/8或更小，有效接收距離常常設(shè)定在20～30cm左右。

2.4 射頻、紅外對比測試數(shù)據(jù)（如表2）

表2 射頻與紅外主要性能對比表

3 射頻的電磁兼容分析

3.1 RFI 特性分析

射頻的電磁兼容包括兩層意思，一是射頻設(shè)備自身在惡劣的電磁環(huán)境中不受干擾能正常工作；第二是設(shè)備設(shè)備對周邊環(huán)境不構(gòu)成騷擾。

現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中無線電發(fā)射源極其豐富，電動機(jī)、計算機(jī)、移動通信等等。在分析RFI時，常用電場強(qiáng)度來描述：

E為電場強(qiáng)度(V/m)；PT為發(fā)射功率（mV/cm2）。

從騷擾元—耦合途徑—接收器的觀點(diǎn)出發(fā)，電場強(qiáng)度E是發(fā)射功率、天線增益和距離的函數(shù)如下：

GA為天線增益；d為騷擾源距離（m）。

對于數(shù)字電路，由于他較大的信號擺動和噪聲容限，所以對RF場的一直力更強(qiáng)，RF場可通過電感/電容耦合產(chǎn)生噪聲電壓或噪聲電流。

3.2 RF 屏蔽技術(shù)

屏蔽罩不但可以防止外部EMI對RF的影響，還可以防止RF部件對外部的影響。在較低的頻率范圍內(nèi)，干擾一般發(fā)生在近場，當(dāng)頻率增高時，干擾趨于遠(yuǎn)場，此時電場和磁場分量都不能忽略。

屏蔽一般分為電場屏蔽、磁場屏蔽、電磁場屏蔽。屏蔽的有效性采用屏蔽效能來度量，表達(dá)式如下：

SEdB=AdB+RdB+BdB

A：吸收損耗（dB）;B：反射損耗（dB）;R：校正因子（dB）;

一個設(shè)計合理簡單的屏蔽罩也能使電磁場強(qiáng)度下降到遠(yuǎn)離的十分之一。具體采用那種屏蔽要根據(jù)實(shí)際的電磁環(huán)境來選擇。

4 結(jié)束語

紅外線存在天生弱點(diǎn)，射頻控制以傳輸距離遠(yuǎn)、無障礙、低功耗、支持復(fù)雜協(xié)議等優(yōu)點(diǎn)，將逐步取代傳統(tǒng)的紅外遙控方式；射頻控制另一個優(yōu)點(diǎn)是方便的實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)控制，射頻控制解決了FRID，為實(shí)現(xiàn)家電物聯(lián)網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。這種技術(shù)的應(yīng)用對消費(fèi)者和制造商雙方都能帶來雙贏結(jié)果。但RF的電磁兼容是設(shè)計的一個難點(diǎn)，我們必須克服。

[1]張肅文.高頻電子線路[M].第四版.北京：高等教育出版社，2004.

[2]孫瑜，范平志.射頻識別技術(shù)及其在室內(nèi)定位中的應(yīng)用[J].計算機(jī)應(yīng)用,2005,(5)1205-1208.