無線控制開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林 航

（湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化工程系，福建 莆田351254）

伴隨科學(xué)與技術(shù)的快速發(fā)展， 家居智能化的腳步也不斷加快。在無線開關(guān)應(yīng)用方面，目前應(yīng)用較多的是紅外無線控制和超外差無線電遙控。

紅外遙控器(IR Remote Control)是采用發(fā)射近紅外射線進(jìn)而控制設(shè)備的遙控裝置。 普通紅外遙控系統(tǒng)又由發(fā)射模塊和接收模塊組成。 紅外遙控的優(yōu)點(diǎn)是具有獨(dú)立性，不對(duì)附近的設(shè)備產(chǎn)生影響。 但是也存在不能穿越阻擋物的特點(diǎn)，不同房間內(nèi)的家電設(shè)備能夠使用普通遙控器而不受控制干擾。 同時(shí)，紅外遙控電路只要按照設(shè)計(jì)電路完成正確連接， 不需要調(diào)整就可以正常工作；在編碼和解碼方面有很成熟的芯片應(yīng)用電路，很容易實(shí)現(xiàn)多路遙控。 目前，紅外遙控器已廣泛應(yīng)用于室內(nèi)家電的近距離遙控。

無線遙控(RF Remote Control)是一種利用無線電信號(hào)遠(yuǎn)程控制各種電子設(shè)備的遙控裝置。通常使用無線電發(fā)射模塊和接收模塊組成普通無線電遙控系統(tǒng)。 發(fā)射電路主要由遙控編碼和無線發(fā)射模塊構(gòu)成； 接收電路主要由無線接收模塊和信號(hào)解碼組成。 接收模塊的工作方式有超外差接收和超再生接收兩種方式， 超再生接收方式是一種在間歇振蕩下運(yùn)作的再生檢測(cè)電路。

以上兩種無線遙控簡(jiǎn)單便捷，但也存在功能不夠靈活、接收受距離及方向的影響等問題。 如果利用無線數(shù)據(jù)傳送模塊nRF24L01 的數(shù)據(jù)傳送功能來設(shè)計(jì)無線遙控開關(guān)，就能很好地避開前兩種的缺點(diǎn)，由于采用數(shù)據(jù)傳送，所以交換內(nèi)容更加豐富，控制的能力也就更加靈活。 那么利用傳感與無線相結(jié)合的開關(guān)控制器則可以更加人性，例如晚上起床不用尋找控制器而自動(dòng)開啟燈光；白天及夜晚或某個(gè)房間等多場(chǎng)景控制等應(yīng)用；終端控制器的按鍵功能能夠自定義， 實(shí)現(xiàn)定時(shí)、延時(shí)及多組聯(lián)合控制。

1.nRF24L01 模塊

nRF24L01 是一款工作在2.4—2.5GHz 的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。 發(fā)射及接收模塊的輸出功率通道選擇和協(xié)議設(shè)置可以通過軟件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置； 能夠適應(yīng)各種微控制器芯片，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；具有非常低的發(fā)射電流消耗，在下降模式和待機(jī)模式下電流消耗則更低； 芯片內(nèi)置硬件CRC 檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制，具有良好的抗干擾能力，能夠滿足一般控制場(chǎng)合；I/O 口接受5V 電平輸入， 能夠很好跟單片機(jī)連接；該模塊的通訊握手成功可以通過接收地址的有效性來判斷，握手完成后才能輸出數(shù)據(jù)(中斷方式)。

2.系統(tǒng)組成

圖1 無線控制開關(guān)系統(tǒng)組成

該無線控制開關(guān)系統(tǒng)主要由上位接收端和多個(gè)下位發(fā)送端組成，見圖1。 上位接收端完成對(duì)所有需要控制的電氣裝置的控制， 通過24L01 無線模塊接收不同位置發(fā)送終端的信息并進(jìn)行相應(yīng)處理， 最終通過595 驅(qū)動(dòng)多路電氣設(shè)備的控制。 下位發(fā)送端可以由多個(gè)位置的無線控制器組成， 可以是多個(gè)房間或者多個(gè)人持有， 每個(gè)下位發(fā)送端都帶有獨(dú)立的微處理器及24L01，采用地址碼及握手碼來保證數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)確性。 例如下位發(fā)送端一設(shè)計(jì)為房間一的燈光可編程控制器，利用光敏電阻來感應(yīng)光亮，用人體來感應(yīng)房間一內(nèi)是否有人， 通過按鍵實(shí)現(xiàn)需要的控制邏輯，并可以隨時(shí)修改功能控制。比如采用按鍵“1”實(shí)現(xiàn)正常模式光線暗時(shí)自動(dòng)開燈，按鍵“2”實(shí)現(xiàn)睡眠模式，感應(yīng)到人且光線暗時(shí)自動(dòng)開燈， 利用按鍵也可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)或多燈具及多亮度燈光控制。 每個(gè)下位發(fā)送端都可以根據(jù)需要結(jié)合相應(yīng)的傳感器來實(shí)現(xiàn)特定功能，上位端也可以增加傳感來獨(dú)立控制相應(yīng)的電氣設(shè)備。

3.硬件設(shè)計(jì)

3.1 下位發(fā)送端電路

圖2 無線控制系統(tǒng)下位發(fā)送端電路圖

圖2 下位發(fā)送端電路圖

系統(tǒng)下位發(fā)送端電路見圖2 所示， 主控制CPU 采用STC12C5A60S2 單片機(jī)，它具有60K 程序 存 儲(chǔ) 器 ，1K 片 內(nèi) 擴(kuò) 展 RAM，1K 片 內(nèi)EEPROM，8 路10 位高速A/D 等豐富資源；NRF24L01 的電源必須使用3.3V， 由AS1117 轉(zhuǎn)換得到， 下位發(fā)送端的傳感部分都是以數(shù)字開關(guān)量輸入單片機(jī)， 其中光線信號(hào)采用LM393 進(jìn)行比較，通過電位器R3 很容易實(shí)現(xiàn)開燈光線調(diào)節(jié)，鍵盤輸入采用直接連接法，按鍵功能能通過軟件自由設(shè)定。 STC 單片機(jī)通過P1.0~P1.5 口與nRF24L01 連接，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的發(fā)送，人體感應(yīng)部分采用HC-SR501 模塊， 模塊感應(yīng)電平輸出口連接單片機(jī)的INT0 口，采用中斷方式實(shí)時(shí)響應(yīng)并進(jìn)行處理。

3.2 上位接收端電路

系統(tǒng)上位接收端電路見圖3 所示， 主控制CPU 依然采用STC12C5A60S2 單片機(jī)，它具有較豐富接口資源，利于功能擴(kuò)展?？刂频碾姎庠O(shè)備較多時(shí)，如果采用口線直接控制，明顯不夠用且不好擴(kuò)展， 故本設(shè)計(jì)采用74HC595 的級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)串行輸入鎖存， 利用RCK 控制移位寄存器，整體鎖存輸出存儲(chǔ)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)16 路電氣負(fù)載的控制。同時(shí)，如果增加74HC595 級(jí)聯(lián)數(shù)量可以再次提高負(fù)載數(shù)， 每一路的實(shí)際強(qiáng)電控制都采用光耦隔離的方式控制， 接收端其實(shí)也可加入傳感模塊， 并與發(fā)送端相結(jié)合實(shí)現(xiàn)更加人性的自動(dòng)控制。 STC 單片機(jī)依然通過P1.0～P1.5 口與nRF24L01 連接，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的接收，控制數(shù)據(jù)由單片機(jī)的P2.0 串行輸出給595 級(jí)聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路。

圖3 無線控制系統(tǒng)上位接收端電路圖

4.軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程要分為下位發(fā)送部分和上位接收部分，系統(tǒng)上位端可以接收多個(gè)下位發(fā)送端的參數(shù)及命令，通過地址碼和握手碼進(jìn)行區(qū)分接收數(shù)據(jù)，整體流程見圖4。

圖4 軟件整體流程圖

nRF24L01 的發(fā)送部分代碼如下，為了應(yīng)答接收設(shè)備，接收通道0 地址和發(fā)送地址相同：

*****************NRF 設(shè)置為發(fā)送模式并發(fā)送數(shù)據(jù)******************************/

void NRFSetTxMode(uchar *TxDate)

{

CE=0；

NRFWriteTxDate (W_REGISTER +TX_ADDR,TxAddr,TX_ADDR_WITDH)；

NRFWriteTxDate(W_REGISTER+RX_ADDR_P0,TxAddr,TX_ADDR_WITDH)；

NRFWriteTxDate (W_TX_PAYLOAD,TxDate,TX_DATA_WITDH)；

5..結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)結(jié)合2.4G 無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊來進(jìn)行無線控制開關(guān)，結(jié)合傳感信息，提供了更加便捷、人性、智能的控制方式。 上位接收端可以擴(kuò)展傳感對(duì)多處的設(shè)備進(jìn)行總體調(diào)控，下位發(fā)送端依據(jù)不同地址及握手碼可以很好地讓接收端區(qū)分不同位置的設(shè)備信息及控制要求。 由于STC12C5A60S2 有8 路模擬量通道， 可以很方便地將光線、溫度等模擬信號(hào)量接入，提高控制要求及精度，在實(shí)際測(cè)試中，該系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，具有一定的實(shí)用性。