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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，更為關注的是一個安全、方便、舒適的居家環境。為了很好地滿足用戶對家居網絡的靈活性、可靠性以及便捷性等方面的需求，智能家居系統使用無線網絡技術，不但克服了有線系統的高成本和不方便等缺點，而且使用方便，能夠快捷地管理家務、監測家居環境、遙控家用電器等。 1 系統總體結構及工作原理 智能家居系統由主機、從機、接口設備及各家電設備組成，主從機都有一個無線收發芯片，通過主從機間無線數據的收發，實現一個小型的無線智能網絡。芯片 nRF24AP1內部結構包含串行接口UART、時鐘模塊、ANT協議機和1 Mb／s的射頻收發信機等4個模塊。首先MCU通過串口對nRF24AP1進行信道參數配置，nRF24AP1執行配置任務，主機執行發送數據包指令，通過空中接口完成數據信息包的發送與接收；從機接收數據信息，由從MCU執行任務，從而實現控制家電的目的。圖l為系統總體框圖。 
2 硬件電路設計 (1)主機電路 處理器模塊選用AVR系列的ATmegal6單片機，并通過鍵盤輸入和液晶顯示，利用nRF24AP1無線收發模塊實現數據的發送和節點設備的控制。MCU和nRF24AP1通過異步串口實現通信。圖2為主機框圖。
(2)從機及接口設備電路 從機通過nRF24AP1進行數據接收，當有數據觸發中斷時，從機MCU從接收緩存中取出數據，并執行控制任務，通過接口設備(如智能開關)實現控制家電的目的。圖3為從機框圖。
3 軟件設計 無線收發芯片nRF24AP1有“休眠”和“待機”兩種省電模式，及配置收發的工作模式。模式與引腳關系如表1所列。
為了降低功耗，主機在大部分時間處于休眠狀態。當有數據發送時SLEEP置低，nRF24Ap1進入工作狀態，而從機始終處于查詢接收狀態。主從機間使用獨立單向信道傳輸數據，主機查詢發送，從機以中斷方式接收控制數據。 ANT是以數據包的形式發送／接收數據，每個數據包的消息格式如下：
ANT協議是二進制協議，每個消息函數都是一個完整的協議數據包，由五部分組成：SYNC、MSG LEN、MSGID、DATA、CHECKSUM。每一部分是8位(1字節)，每個消息以SYNC(OxA4)字節位開始，以CHECKSUM字節結束，以比特的方式發送與接收。當有數據包發送到nRF24AP1接收緩存時，ANT協議根據MSG ID判斷消息的類型，根據MSG LEN判斷數據長度。ANT接收到有效的數據包后，自動移去SYNC、MSG=LEN、MSG ID、CHECKSUM，只留有效數據放在緩存中。從MCU以中斷方式從緩存中提取有效數據，執行控制任務。 3．1 串口初始化配置 ATmega16單片機和無線收發芯片nRF24APl都有UART模塊，在使用前需要進行初始化設置。本設計使用異步串口通信，主從機使用同樣的波特率 19 200。從機波特率由芯片nRF24APl上的引腳BR2、BR1來設置，異步數據以1個起始位、8個數據位、1個停止位以及無校驗的方式進行傳輸。當有串口數據到達從機MCU緩存時產生中斷，從機MCU響應中斷，從接收緩沖區讀取數據。中斷接收設置一個長度為16字節的緩沖區(rx_bufer)，緩沖區設有單獨讀／寫指針，并與緩沖計數器相關聯。串口發送的數據首先通過SendData()寫入發送數據寄存器UDR，然后由硬件自動將其發送到接收數據寄存器UDR。接收數據時，先將接收到的數據寫入rx_buffer，再根據應用需要調用函數GetData()，從緩沖區中取出相應的數據。 3．2 信道配置 在ANT節點實現通信之前，必須對信道參數進行配置，這些參數包括網絡號、射頻頻率、信道ID(生產商ID／設備類型／設備號)、信道類型和信道周期。主從結點要求網絡號、射頻頻率和信道周期3個參數設置完全一致，信道類型參數的設置必須一一對應，例如“雙向發送信道”對應“雙向接收信道”。至于信道ID 參數，則應從節點遵循主節點的設置。 主機通過串口對信道參數進行配置，配置過程如下： ①配置信道之前要進行系統復位，執行ANT_ResetSystem()； ②分配信道，執行ANT_AssignChannel()； ③ 配置信道ID，執行ANT__SetChannelID()。 同樣，各從機也按照主機配置步驟對從機進行信道參數配置，設置自己的信道號、信道類型、網絡號等。 3．3 節點配置 ANT協議中，通信節點建立連接的過程稱為節點配對的過程。ANT協議提供兩層配對控制，即信道ID和配對比特。 對于信道ID，只有相同的或兼容的信道ID才允許配對。 對于信道比特，信道ID參數中“設備類型”字段的最高位規定為ANT的“配對比特”。當從節點對僅知曉部分信道ID參數時，該比特的設置才對配對結果有影響。ANT協議規定，具有兼容的信道ID參數且配對比特的設置也相同的節點才能實現配對。 如果信道ID的所有數據域都是已知的，將不需要配對比特，因為接收者已經準確地知道要和哪個發送者連接，當使用配對比特并且信道ID的數據域至少一個是wild card時，期望和另一方建立通信的兩個節點在連接過程中配對比特必須處于同一狀態。 3．4 打開信道，發送數據 當用戶想遙控家電時，主機執行數據發送。主機有輸入按鍵1、2等(代表信道1、信道2)來選擇信道，當有按鍵輸入時，主機從休眠模式快速蘇醒，快速完成數據傳輸任務。另還有發送按鍵“SEND”，用來調用發送數據函數。 執行過程如下： ①打開信道，調用ANT_OpenChannel()； ②發送數據，調ANT_SendBroADCastData()。 例如通過按鍵“1”打開1信道，主程序調用ANT_OpenChannel(1) 一>SerialData0xA4，0x01，0x4B， 0x01，0xEF)，即調用ANT_OpenChannel(1)將產生串行數據(0xA4，0x0l，0x4B，0x01，0xEF)，然后把這些串行數據以比特的形式發送到ANT模塊的接收緩存。ANT協議自動移去0xA4、0X01、0x4B、0xEF，即第4個數據0x01為有效數據，放在接收緩存，觸發接收中斷。 4 液晶模塊接口與鍵盤接口設計 按鍵用于數據輸入。本設計使用獨立式按鍵，電路簡單，每個按鍵接通一條輸入數據線，這樣按鍵工作不會影響其他I／O口。這里用3個按鍵舉例，介紹電路使用查詢方式。 按鍵1：“CHl”，輸入信道“1”。 按鍵2：“CH2”，輸入信道“2”。 按鍵3：“SEND”，發送數據。 LCD作為人機交互界面，通過按鍵輸入顯示選擇的信道(CHl／CH2)，通過按鍵輸入信道數，執行打開信道函數 ANT_OpenChannel()。如打開信道1，執行ANT_OpenChannel(1)。主機處于查詢接收狀態，主機尋找匹配信道的節點，然后建立連接，等待數據的傳輸。點“SEND” 按鍵，執行發送數據消息函數ANT_SendBroad-castData()發送數據。每次打開信道和發送數據消息成功都有LED指示。 當主機沒有數據發送時，主機MCU置SLEEP為高，使主機進入休眠狀態，進入省電模式，以達到省電節能的目的。圖4為軟件實現流程圖。
結語 本設計方案中的智能家居系統利用無線網路芯片nRF24APl傳輸數據，硬件電路簡單。芯片內嵌ANT協議，協議結構簡易，使用方便，成本較低，超低功耗，軟件設計合理，使用穩定可靠，效率高，而且節點易擴展。這不僅在智能家居方面，還在體育娛樂、遠程控制系統、醫療工業自動化及其他新興無線應用領域，都具有推廣價值和廣闊的市場前景。 參考文獻 1. Interfacing with ANT General Purpose Chipsets and Modules 2008 2. ANT Message Protocol and Usage-ver 2 3. 馬潮.詹衛前.耿德根 ATmega8 原理及應用手冊 2003 4. 丁華成.耿德根.李君凱 AVR 單片機應用設計 2002 5. 郭亞利 基于 ANT協議的無線收發器nRF24AP1及其應用 [期刊論文] -國外電子元器件2008(1) 6. 郭亞利.鮮繼清 非標準無線射頻協議ANT [期刊論文] -重慶工學院學報（自然科學版）2007(11) 作者：重慶郵電大學 張毅 趙子顧 來源：《單片機與嵌入式系統應用 》 2009 (6) |
