射频控制在空调产品的应用

孙铁军，吴文新

（广东美的制冷设备有限公司，佛山 528311）

1 射频控制在空调产品应用的必要性

1.1 射频控制较红外控制有明显优势

射频控制（RF Control），它使用数百兆赫兹或更高频率的无线电波取代红外光、物理导线作为控制信息的载体，射频应用使得红外控制、有线通信存在的种种限制便荡然无存，射频控制与传统的控制方式比较，具有以下优点：

1.1.1 无方向性

红外控制最常见、最明显的局限就是红外线有很强的方向性，这种连接非常脆弱，如果遥控器的发射端没有很好的面对接收设备，那么红外控制就会受到影响。在这种情况下要想关闭空调器，人们甚至不得不直接走到空调器正前方进行相应的操作。射频的最大特点就是无方向性，不需要“面对面”的操作，只要在发射器和接收器之间没有金属的电磁屏蔽器件，射频就可以畅通地自由通信，距离几十米，甚至几千米，人们不需要关心接收器和发射器之间的位置、方向关系。

1.1.2 双向通信

射频技术同样能轻松突破红外遥控技术的单向通信局限。一旦视线和距离局限得以解决，用户很快就会发现，确实需要遥控器能够反馈回来被操控系统的相关情况。例如，人们把空调器设定为定时5小时后打开，如果使用单向控制，那他们没法确认空调器是否正确的接收了指令，他们常常多次按同一个按键以确保空调能收到指令。在理想情况下，人们显然希望能直接在遥控器上能一目了然的看到控制目标的接收结果、执行情况，这时射频通信技术可以轻松实现。

1.1.3 呼叫功能

射频控制的双向通信还带来一个很实用的功能，遥控器呼叫功能。我们常常在需要打开空调的时候找不到遥控器。利用射频控制的双向特性，我们再也不用费时去找遥控器放到哪里去了，我们只需启动遥控器的呼叫功能，让遥控器发光、发声就能马上发现它的藏身之处。

1.1.4 穿透能力强

射频技术同样能轻松突破红外遥控技术的穿透能力差局限。红外控制需要在视线之内进行连接控制，但我们常常会发现，小孩在睡觉时把空调温度设定得很低，然而把房间的门锁上了，父母不想打破小孩的美梦但又希望把温度调高或者关掉空调。红外控制力所不及的事情，射频控制轻松地实现这一愿望。

1.1.5 轻松实现组网控制

随着人们生活水平的提高，一个家庭通常拥有多台空调器，传统的红外控制只能实现单一的控制，需要组网控制则需要复杂的连线，这些布线在房屋装修时常常都没有考虑。

射频控制的应用，它以传输距离远、穿透能力强的优势，轻松地实现多台空调器的组网控制，一个监控器可实现全屋空调的监控。空调的设定、运行状态在监控器上一目了然。

1.2 射频控制应用有利品牌形象提升

随着射频技术的发展、成熟，射频IC的价格、功耗下降，家电公司纷纷投入射频控制的研究。2010中国国际消费电子博览会上，海尔发布了全球首款采用RFID射频识别技术的电视机遥控器，引起业界很多响应。如果公司率先掌握并应用这技术，不但提高产品性能，对也大大地提升公司的品牌形象。

1.3 节能环保

与红外遥控相比，射频遥控还有一个十分明显的低功耗优势。射频遥控器耗电量仅为普通红外线遥控器的1/30，红外遥控器一般使用两节五号或七号电池，通常每年要更换一次电池。而射频遥控器则可以做到四年更换一次电池。大大减少了电池的使用量，在为用户提供了便利的同时，也符合低碳、环保的理念。

1.4 射频控制的应用势在必行

红外控制有很多缺点。如方向性强，穿透力差、距离短、只适合单向通讯(双向通讯很难实施且成本高)。

随着低能耗射频芯片逐步进入市场，根据市场调研公司ABI Research最近的研究报告，从现在到2014年，预计射频遥程控器市场的年增长率将达到55%，射频控制最终可能在五年内淘汰有几十年历史的红外控制。

2 射频控制在空调产品应用实例

本应用实例是空调的无线集控器，该集控器能监控全屋美的空调器，通过集控器轻松地设定各空调器的运行参数，监视每台空调器的运行参数，空调器的运行状态一目了然。

本实例无线收发单元使用了Nordic公司的nRF24L01模块，该收发器是Nordic的第三代2.4G无线射频收发器，nRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm 的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。

2.1 应用电路（见图1）

2.2 PCB 设计注意事项

图1 nRF24L0 应用电路图

在射频设计中PCB尤其重要，PCB的分区、走线对整体性能影响很大，所以PCB 设计在nRF2401 收发系统开发过程中主要工作之一，若想要一次就设计成功，事先仔细规划和注重细节才能奏效。PCB设计必须考虑到各种电磁干扰，注意电阻、电容、电感的位置，特别要注意电容的位置。另外还需要考虑阻抗和阻抗匹配、绝缘层材料和层叠板、波长和谐波等。

nRF2401 的PCB 一般都是双层板，元件放在一层，另外一层全部敷上铜作为地层，元件层的空余地方一般也敷上铜，两层的敷铜通过过孔相连。nRF2401 的供电电源应通过电容隔开，这样有利于给nRF2401 提供稳定的电源。在PCB 中，尽量多打一些通孔，使元件层和地层能够充分接触。

2.3 空调器的FRID

为了识别每台空调器，我们需要为每台空调器设定唯一的身份识别码（ID）。射频身份识别(RFID)是射频控制的技术难点之一，RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取数据。目前我们有两种实现方法：

表1 nRF24L01 与MCU 端口连接表

2.3.1 静态ID码

每台空调器出厂时已有固定的ID码，为了简单起见，我们采用空调器的条形码，则把空调器的条形码写到主控器的EEPROM中，这可以在生产时完成。在生产线上用扫码器读取机器的条码，通过特殊的握手协议把该信息写到空调主控器的EEPROM里。空调安装完后，集控器再把通过条形码信息来完成ID识别。

2.3.2 动态ID码

每台空调器出厂时没有固定的ID码，空调安装后，主控器、集控器都进入对码模式，集控器随机生产32位的ID码，再把该ID码写到主控器的EEPROM里。为了成功对码，对码时发射功率通常只有正常功率的1/8或更小，有效接收距离常常设定在20～30cm左右。

2.4 射频、红外对比测试数据（如表2）

表2 射频与红外主要性能对比表

3 射频的电磁兼容分析

3.1 RFI 特性分析

射频的电磁兼容包括两层意思，一是射频设备自身在恶劣的电磁环境中不受干扰能正常工作；第二是设备设备对周边环境不构成骚扰。

现实的环境中无线电发射源极其丰富，电动机、计算机、移动通信等等。在分析RFI时，常用电场强度来描述：

E为电场强度(V/m)；PT为发射功率（mV/cm2）。

从骚扰元—耦合途径—接收器的观点出发，电场强度E是发射功率、天线增益和距离的函数如下：

GA为天线增益；d为骚扰源距离（m）。

对于数字电路，由于他较大的信号摆动和噪声容限，所以对RF场的一直力更强，RF场可通过电感/电容耦合产生噪声电压或噪声电流。

3.2 RF 屏蔽技术

屏蔽罩不但可以防止外部EMI对RF的影响，还可以防止RF部件对外部的影响。在较低的频率范围内，干扰一般发生在近场，当频率增高时，干扰趋于远场，此时电场和磁场分量都不能忽略。

屏蔽一般分为电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽。屏蔽的有效性采用屏蔽效能来度量，表达式如下：

SEdB=AdB+RdB+BdB

A：吸收损耗（dB）;B：反射损耗（dB）;R：校正因子（dB）;

一个设计合理简单的屏蔽罩也能使电磁场强度下降到远离的十分之一。具体采用那种屏蔽要根据实际的电磁环境来选择。

4 结束语

红外线存在天生弱点，射频控制以传输距离远、无障碍、低功耗、支持复杂协议等优点，将逐步取代传统的红外遥控方式；射频控制另一个优点是方便的实现组网控制，射频控制解决了FRID，为实现家电物联网奠定基础。这种技术的应用对消费者和制造商双方都能带来双赢结果。但RF的电磁兼容是设计的一个难点，我们必须克服。

[1]张肃文.高频电子线路[M].第四版.北京：高等教育出版社，2004.

[2]孙瑜，范平志.射频识别技术及其在室内定位中的应用[J].计算机应用,2005,(5)1205-1208.