基于nRF24L01+芯片的綠色智能家居系統

孫強 姚玲

【摘 要】隨著網絡與信息技術的進步，對家庭信息的監督與控制是現代智能家居系統的現實需求，其具有可靠性高以及操作簡單等優勢。本文在分析智能家居系統發展現狀的基礎上，針對于如今智能家居發展的實際情況，利用STC主控制器與NRF24L01+芯片，設計得到最為簡潔的無線數傳智能家居系統。

【關鍵詞】網絡信息技術；智能家居；NRF24L01

中圖分類號： TU855 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0105-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.048

【Abstract】With the progress of network and information technology，the supervision and control of household information is the realistic demand of modern intelligent home system，which has the advantages of high reliability and simple operation.Based on the analysis of the development status of intelligent home system，this paper designs the most simple wireless digital transmission intelligent home system by using STC main controller and NRF24L 01+chip.

【Key words】Network information technology；Smart home；NRF24L 01

0 引言

隨著經濟的發展與人們環保理念的提升，綠色智能家居的概念也開始深入人心，對于居住環境的舒適程度要求逐漸提升。不過如今的家居市場上智能家居的能耗與體積都較大，不利于人們的使用。為此本文采用nRF24L01+射頻芯片，其具有的電量消耗極低，甚至在掉電的模式還可以待機工作。通過利用STC單片機與射頻芯片構成中控系統對于室內紅外裝置與室外濕度開展控制與調節，人體傳感器對位置信息采集與無線信息的收發，進而得到控制系統。依據人的需求設定得到溫度范圍，在環境溫度不在這個范圍的時候，電機系統會接收得到控制信號，開展數據的處理進行開關窗操作等。

1 總體概述

1.1 系統的結構

依據系統的功能，本文設計的系統航油如下幾個模塊，具體如圖1所示：

1.2 系統的功能分析

本文設計的家居系統可以實現對于室內環境的監控，在感覺到有人進入的時候，可以自動的開燈，人走之后等自動的關閉。溫度傳感器獲得室內的溫度參數，進行開關窗的操作來調節室內的溫度，功能如下所示：

DS18B溫度傳感器，可以監測室內環境溫度的變化，并將其發送到主接收模塊，在環境溫度不在設定溫度范圍內的時候，溫度傳感器模塊將會控制所在電機依據溫度的高低來調價窗戶的開關。HC-SR505人體傳感器，其具有的功能為可以通過Key開關選擇。斷開開關之后，人體感應模塊進入到燈控功能模塊，在這個時候有人進入到感應區域的時候，感應區域的照明燈開啟。在主人需要離開的時候，閉合key開關，人體感應模塊開始進入到休眠狀態。對于無線數傳模塊，本文采用的為NRF24L01無線射頻芯片，其可以實現對點或是1對6的無線通信，處理模塊采用的為STC系列單片機。

2 系統的硬件設計

2.1 硬件結構

智能家居系統的設計含有網絡協議、系統硬件與系統軟件三個主要的模塊，家居系統含有主機、從機與接口設備等，主機模塊具有無線收發芯片，通過主從機間無線數據的手法，實現對于無線智能網絡的搭建。對于網絡協議模塊參考的是OSI模型，結合nRF24L01芯片的特征，通過模塊化、通用性設備為原則設計硬件線路模塊，采集集中控制技術的控制模式，通過一個以單片機為核心的系統主機來搭建，中心處理模塊負責的是系統的信號處理。同時將系統設備開展功能的劃分，進行統一設計與接口，硬件模塊具有雙向的通信功能，以及互相操作性等，其控制模塊可以編程使得模塊的通用性與實用性大幅度的提升，提升了系統的可維護性。

硬件的收發模塊采用的新型收發器件nRF24L01，其定義了物理無線信道同MAC子層之間的接口，提供的物理層數據服務以及物理層管理服務。對于nRF24L01其為2.4GHz的單片視頻收發芯片，通過FSK調制，內部含有鏈路層。其輸出功率與通信頻道可以通過程序開展設置，內部具有125個可選擇工作頻道，頻道互換的時間很短，可以用來跳頻，降低互相之間的干擾。首先是通過MCU對于串口對于nRF24L01開展信道的參數設置，其執行的為配置任務，主機執行的發送數據包的指令，通過空中接口實現數據信息的發送與接收，從機接收數據信息，通過MCU執行其含有的任務，進而可以實現控制的目標。

2.2 主要硬件電路設計

控制中心模塊對于2.4G網絡內充當協調器節點功能，主要負責的為2.4G網絡的搭建，節點管理等相關功能。對于本文設計的系統內部，控制中心節點需要對接受得到的數據開展處理分析，之后通過鍵盤輸入相關數據，還可以通過RS-232串口與PC機進行連接通信。

對于串口通信模塊，STC51單片機內部具有串行的接口，通過RS-232的D型連接器，在最簡單的串行內部通信，僅僅需要3根通信線連接，TXD串行數據發送以及RXD串行數據接收以及GND信號的接地等。

對于無線收發模塊，依據硬件設備的要求，在基于2.4G無線傳輸控制網絡設計的時候，通過工作在2.4GHz頻段的射頻片nRF2401。單片機射頻收發芯片nRF2401其工作在2.4-2.5GHz頻段，芯片內部含有頻率的合成器、功率放大器、晶體震蕩期以及調制器等功能模塊，輸出的功率以及通信頻道可以通過程度開展相關的配置。芯片能耗比較低，通過-5dBm的功率發射的時候，工作的電流僅僅為10.5mA，在接收的時候工作的電流僅僅為18mA，對于多種低功率的工作模式，設計較為簡單與節能。對于Duo Ceiver TM技術采用的為nRF2401可以一同的采用同一天線，接收兩個不同頻道具有的數據信息。

對于傳感器電路設計模塊，控制中心節點利用nRF24L01無線模塊，接收得到各個傳感器節點所含有的發送信息，同時與串口模塊連接，將信息發送到上位機模塊，在上位機軟件模塊直觀的將各種的數據直觀的呈獻給使用人員。傳感器節點硬件主要通過電源模塊、時鐘模塊以及無線模塊、傳感器等幾個部分構成。

3 系統的軟件設計

3.1 溫度控制模塊

3.2 燈光控制模塊

4 結束語

本文設計的系統具有極強的實用性，首先是其作為無線傳輸的模式，可以對于家居內部的環境溫度以及是否有人進行檢測，解決了傳統布線的制約，對于環境的要求與影響比較小，可以檢測得到人們不是可達到位置的信息，為我們營造得到一個智能、舒適以及安全的家居環境。同時在應用無線手段傳輸的時候擴大了數據檢測的范圍，完全可以在其他的相關場所應用，比如對于溫室大棚的實時檢測，保證室內的溫度符合于植物正常生長的范圍，大幅度的提升了農作物的產量。

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