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1、第33卷 第2期 2011-2(上)【187】0 引言随着物联网技术的发展，无线智能家居系统将成为智能家居系统发展的主流之一。智能家居系统使用无线传感器网络技术不但克服了有线系统的高成本和不方便等缺点，而且使用方便，能够快捷的管理家务、监测家居环境、遥控家用电器等。本文分析了智能家务无线控制系统的总体结构，设计了一个小型智能家居无线传感器网络，详细介绍了无线传感器网络节点的硬件设计和软件编写。实践表明，采用nRF24E1 无线模块搭建智能家居无线传感器网络，具有成本低、功耗低、快速、开放的特点，有很强的推广价值和广阔的市场前景。1 SoC 无线射频模块 nRF24E1nRF24E1 是北欧集成
2、电路公司（NORDIC）推出的一款带 2.4GHz无线收发器和增强型 8051内核的无线收发模块，适用于各种无线设备的短距离互连应用场合。该模块工作于2.4GHz的ISM（工业、科学、医学）频段，有多达125个频点，能够实现点对点、点对多点的无线通信，同时可通过改频、跳频来避免干扰。nRF24E1 集成度非常高，内部集成了增强型 51内核，2.4GHz无线收发器，100Kbps 的9路模数转换器，UART 接口，SPI接口、PWM输出，内置 RC 振荡器、看门狗和唤醒定时器以及专门的稳压电路。所有高频元件包括电感、振荡器等都集成在芯片内部，因此芯片的性能稳定，受外部环境的影响小。收发器的功耗相
3、当低，发射模式下，射频电流消耗仅为10.5mA，接收模式下仅为 18mA。基于以上特点，本系统采用nRF24E1 作为无线传感器网络节点的控制核心和无线收发器。2 智能家居无线控制系统总体结构及工作原理本文仅以一个被控系统和一个环境监测网络节点为例进行简单说明，其他网络节点略去。本系统采用星形拓扑结构，主要由主控系统、被控系统、环境监测系统几个部分组成。被控系统由多个被控系统网络节点构成，被控系统网络节点又由被控无线模块和家电组成，具体实现方法就是为每一个需要进入智能家居控制系统的家电通过接口设备，如智能开关等安装被控无线模块。被控无线模块的控制核心也是nRF24E1。主控系统由主机和主控无线
4、模块组成，其中主机可以采用嵌入式系统芯片，也可以采用PC 机；主控无线模块由 nRF24E1 担当控制核心。环境监测系统由多个环境监测网络节点构成，每一个节点由无线模块、环境监测传感器和一些外围器件构成。同样，环境监测网络节点的控制核心仍然由 nRF24E1 担当。系统工作原理为：主控系统的主机发出指令，主控无线模块将指令无线传送到被控系统，被控无线模块将接收到的指令由接口设备传给家电，控制家电的运行，如自动窗帘的打开和关闭等。对于环境监测系统，由环境监测传感器采集当前环境中的数据，如空气中煤气含量、温度、湿度、光强度等，一旦发生煤气泄漏、失火等突物联网智能家居无线传感器网络节点设计Desig
5、n of things network node of smart home姜永增1，董 晶2，宋广军1，吴 迪1JIANG Y ong-zeng1,DONG Jing2,SONG Guang-jun1,WU Di1（1.齐齐哈尔大学计算机系，齐齐哈尔 161006；2.齐齐哈尔大学教育技术系，齐齐哈尔 161006）摘 要：本文设计了一种基于 nRF24E1 的智能家居无线传感器网络系统，详细介绍了其无线传感器网络节点的硬件电路构成、工作原理及软件设计思想。该系统硬件结构简单，功耗低，有较强的实用性。关键词：nRF24E1；物联网；网络节点；智能家居；低功耗中图分类号：TN925.93 文献
6、标识码：A 文章编号：1009-0134(2011)2(上)-0187-03Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2011.2(上).60收稿日期：2010-12-20作者简介：姜永增（1977-），男，黑龙江齐齐哈尔人，讲师，硕士研究生，研究方向为无线传感器网络。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 3 页 -【188】第33卷 第2期 2011-2(上)发情况，可以将报警信号通过无线模块传送至主控系统，由主控系统下达命令，如打开消防开关、打开排气系统等。另外，对于普通家居生活，用户可根据需要设定一定的控制命令，如温度降低，自动打开空调加温；光线变
7、暗，自动打开电灯开关等。3 智能无线家居系统网络节点的硬件组成被控系统网络节点硬件组成框图如图1所示。nRF24E1 图1 被控系统网络节点结构框图监控系统网络节点硬件组成框图如图2所示。nRF24E1 图2 环境监测网络节点结构框图对于家用电器来说，安装被控无线模块需要来自于各个领域的技术支持，且因家用电器种类不同而不同；同样，对于各种不同的环境监测传感器来说与微处理器的接口也各不相同。本文主要介绍无线模块的硬件组成，其硬件原理图如图3所示。其 中，nRF24E1的 电 源 由 MAX8 56提 供，MAX856是 一 种 高 效 的 CMOS升 压 DC-DC电 压 源变换器，其输入电压
8、0.8-6V，输出电压为 3.3V或5V，本设计中输入电压可由电池提供，输出电压选择3.3V。由于nRF24E1 内部只有一个 512Byte的ROM，使用过程中需要扩展片外存储器，采用32K串行 EEPROM25AA320作 为 片 外 存 储 器，存 放nRF24E1 运行所需的主要程序。系统上电后，512字节ROM 引导程序将 EEPROM中存储的程序下载到4KB RAM 的程序运行空间，另外 256字节RAM用于数据存储器。对于被控系统网络节点的设计，只需在图4的基础上增加与家用电器的接口电路即可，其信号无非两类，一类是数字信号，可由nRF24E1 的双向I/O 口接入，另一类是模拟信
9、号，可由其模拟输入口AIN0AIN7接入，利用 nRF24E1 自带的 A/D转换器将模拟信号转换成数字信号。DIO59VDD1AIN02DVDD23DIO04DIO15DIO26DIO37DIO48DIO610DIO711DIO812DIO913DVDD14VSS15XC216XC117VDD_PA18ANT119ANT220VSS _PA21VDD22VSS23AIN724AIN625AIN526IREF27AREF28AIN429AIN330VSS31VDD32VSS33AIN234AIN135DIN036nRF24E1U1DVDDD VD DC11nFC233nFY116.000M H
10、ZR11MC322pFC422pFC51nFC610nFC710uFC81nFC91.5pFC101nFC111nFC1222pFC132.2nFC1410nFRFIOL13.6nHL222nHDIN0DIO0DIO1DIO2DIO3DIO4DIO5DIO6DIO7DIO8DIO9VDDVDDAREFR21KC151nFC16100nFR322KVCC8VSS4CS1SI5HOLD7WP3SO2SCK625A A320U23.3VR410K3.3VR510KAIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7SHDN13/52REF3LB04LB15OUT6GND7LX8U3MAX
11、8563.3VR610KC170.1uFR710KR850KSW1VinBT1BATT ERYL247uHD21N5817+C1868uF+C1968uF3.3V3.3V3.3V图3 无线模块硬件原理图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 3 页 -第33卷 第2期 2011-2(上)【189】4 智能无线家居系统网络节点的软件设计nRF24E1 有多种工作方式，可以通过PWR_UP、CE 和三个控制引脚设定。当 PWR_UP=1、CE=1、CS=0 时设定其为 ShockBurst 模式，此模式不需要昂贵高速的 CPU 处理数据，应用片上 FIFO缓冲器，以较低的速率
12、写入数据，较高的速率发送数据，达到了节电目的，并且具有较高的数据传输率。系统工作机制可采用主控系统轮询和突发事件报告机制。其工作流程为：主控系统每隔一定的时间向每一个网络节点发送查询命令，网络节点收到查询命令后，向主控系统回发数据。如发生紧急事件，网络节点可以主动向主控系统发送报告，由主控系统进行处理并发出相应报警信息。主控系统可以对网络节点的阈值参数进行设置，以满足不同用户的需要。网络节点打开电源，初始化，申请加入网络后，直接进入休眠模式，当主控系统收到网络节点的中断请求时，触发中断，激活网络节点，接收信息，处理完毕后继续进入休眠状态，等待有中断请求时再次激活。若有多个网络节点同时向主控系统
13、发送中断请求时，主控系统来不及处理而丢掉一些请求，当网络节点发现自己的请求没有得到响应后几秒钟将再次发送请求，直到得到主控系统的响应为止。所以，被控节点处的程序要有以下功能：向主控系统发出加入网络的申请；监测空气中的无线信号，并判断是否有发给本节点的控制、查询、设置命令；执行相应的控制、查询、设置命令；发送和接收无线信号。根据上面的设计思路，我们设计出如下程序流程图，如图 4所示。监控系统网络节点的软件部分主要负责对传感器采集的信号进行 A/D转换并判断采集的结果是否达到报警值，若达到则进行报警处理。利用nRF24E1 内部自带的 A/D转换器进行转换。同时，监控系统网络节点作为系统的一个分节
14、点，在开始之前也要先加入网络中，并接受主控系统的控制，执行相应的查询、控制功能。5 结束语根据无线传感器网络技术和智能家居的特点，提出了基于 nRF24E1 的智能家居无线传感器网络系统的构成方案，详细介绍了无线传感器网络节点硬件组成和软件编写。由于nRF24E1 的集成度高，功耗低，使其应用系统更为简化，大大增强了无线系统的稳定性和可靠性，同时开发也变得更为简单，成本进一步降低。实验表明，该系统的配置合理，通信协议简单，功耗低，有良好的市场前景。参考文献：1 刘恒,马建仓,张小兵.基于nRF24E1 的点到多点的无线测控系统的设计 J.微电子学与计算机,2006,23(11):78-80.2
15、 刘志平.基于MSP430 和NRF2401 的WSN 节点设计 J.国外电子测量技术,2009,28(8):57-59.3 吴钊炯,严仍友.2.4GHz无线收发芯片 nRF24E1 的原理及应用J.国外电子元器件,2004,(9):35-37.4 郑君刚,吴成东,韩中华,杨英翔.基于nRF2401 的智能家居无线网络节点设计 J.低压电器,2007,(14):12-15.5 任丰原,黄海宁,林闯.无线传感器网络 J.软件学报,2003,14,(7):1282-1297.6 任枫轩,李伟.嵌入式无线网络节点的设计J.国外电子测量技术,2008,27,(6):50-53.7 姜艳华,朱 旻,葛运建.主从式机器人无线通信系统研究J.自动化与仪表,2008,23(1):17-21.?Case1 Case2 Case3 图4 被控系统网络节点程序框图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 3 页 -