一种基于NRF905的智能家居无线遥控系统的设计

董设建

摘要：设计了一种以STC89LE52和NRF905为核心的智能家居无线遥控系统，给出了系统的设计方案和部分硬件电路，阐述了其工作原理及编程实现方法。经验证，该设计具有小巧灵便、工作稳定可靠、易扩展等优点，不仅可用于智能家居无线遥控系统，也可用于其他领域。

关键词：智能家居 STC89LE52 无线遥控 NRF905

1 概述

当代科学技术日新月异，越来越智能化、信息化、高速度及集成化以及网络化，而其中的通信技术又以无线通信最具有发展潜力。无线通信系统由于不需要传输线缆、组网灵活方便、成本低廉，智能设备只需要配上相应的无线通信接口电路，就可以实现各设备之间的无线通信任务，因而比有线通信技术具有更大的优越性。就连商业购物活动也由传统的实体店购物，渐渐转化为有线互联网的虚拟购物，再向无线的移动互联网购物发展。相信不久的将来，无线通信网络技术将会融入到人类社会的生活及生产的各个方面，并且逐渐变为最主要的通信手段之一。

本设计以单片机STC89LE52为核心，采用NRF905无线通信模块，设计了一种适用于智能家居产品的多路无线遥控系统。当然，此系统也适用于其他无线通信的场合。

2 系统方案

本系统的方案框图如图1所示，主要包括发射遥控器与接收控制器两部分。本方案采用宏晶科技公司生产的STC89LE52单片机作为MCU控制器，该款单片机具有高速、高可靠、超强抗静电、超强抗干扰、超低功耗（掉电模式下功耗小于0.1uA，掉电模式可由外部中断唤醒）等优点，采用3V供电，适合于电池供电系统。

其中，发射遥控器作为控制主机，通过按键发送从机的地址以及控制方式，可以对家庭中任意一个装有接收控制器的从机以不同方式进行控制：如亮灯方式可控的客厅吊灯控制、电视机的开关控制、具有预防儿童触电功能的无线智能插座控制等，以便带给你一个安全、低耗、便捷、舒适的居家环境。而从机接收到主机发送过来的控制指令执行控制动作，根据被控对象的特点可选择多达7种控制模式，从机控制采用继电器控制方式。

■

无线通信模块采用NRF905芯片为核心，该芯片为Nordic VLSI公司设计，具有体积小、CRC校验、抗干扰性强、多通道多频段、通信稳定等特点，特别适合于工业控制场合。

NRF905有四种工作模式，分别由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP 3个引脚的状态来决定，如表1所示。

■

3 硬件设计

MCU采用STC89LE52作为主控制器，采用3V供电，因此NRF905模块的管脚都可以直接和STC89LE52的I/0口相连。而与NRF905的SPI总线通信方式可用单片机的普通I/0口模拟。STC89LE52控制NRF905的无线发射/接收模块的硬件原理设计及相关接线如图2所示。

3.1 发射遥控器设计

发射遥控器电路主要包括从机地址及控制方式拨码键盘、MCU、无线通信模块电路、掉电唤醒电路和LED工作显示电路等部分。其中，MCU选用STC89LE52，NRF905的工作频率为433MHz。MCU通过其I/O口控制NRF905的发射工作，以及收集其相关状态的反馈信息。

另外，由于发射遥控器采用电池工作，因此低功耗是我们在设计时需要考虑的一个重要方面。当NRF905以10dBm的输出功率发射时，其消耗的电流小于20mA；在关机模式下，NRF905的工作电流最小，一般为2.5uA。另外，STC89LE52的正常工作电流为4～7mA；掉电模式下，典型功耗小于0.1uA。因此，当发射控制器不工作时，应当首先让NRF905处于关机模式，然后让STC89LE52处于掉电模式下；而以10dBm的发射功率工作时，发射控制器的最大功耗不超过30mA，且其工作过程非常短暂。这样就大大降低了发射控制器的功耗，延长了电池的使用寿命。

3.2 接收控制器设计

接收控制器电路主要包括MCU、无线通信模块电路、直流稳压电源、继电器控制输出等部分。其中MCU采用STC89LE52，无线通信模块电路与发射遥控器的一样。由于接收控制器安装在交流220V的灯具、开关机插座等上，因此采用+3V的直流稳压电源对其进行供电，不必要考虑其功耗问题。

4 软件设计

发射遥控器的软件编程主要包括初始化、唤醒程序、发送程序以及低功耗程序几个部分，接收控制器的软件编程主要包括初始化和接收程序两个部分。

发射遥控器的掉电唤醒程序为：当发射遥控器接收到需要发射数据的指令时，首先需要使用INT0下降沿中断程序唤醒单片机进入工作模式，点亮工作指示灯，然后用MCU唤醒NRF905从关机模式进入待机模式，接着保存按键过程中留下的从机地址及控制方式等数据。发射遥控器的低功耗程序为：MCU先将NRF905转到掉电模式，然后MCU将自己转到掉电模式。

上述发射遥控器的两个程序较简单，此处不做详细阐述，下面只介绍初始化、发送和接收三个程序的编程过程。其中，发射遥控器与接收控制器的初始化程序大致相同，只不过接收控制器的初始化程序中没有中断程序的初始化。

4.1 初始化

首先初始化NRF905的射频配置寄存器：CH_NO配置频段在433MHz，输出功率为10db，不重发，节电为空闲模式，地址有效宽度设为1字节，有效数据长度为1字节，接收地址预设，CRC允许，8位CRC效验，外部时钟信号不使能，采用外部16M时钟晶振。然后初始化掉电唤醒的INT0配置：开总中断，开INT0中断，INT0中断下降沿触发。

4.2 发送程序

发送数据时，MCU首先通过SPI总线方式将需要发送的地址和数据都写入NRF905相应的寄存器中，然后将NRF905切换到发送模式，这个过程中需要延时650ns，再后就是启动NRF905发送一次（TRX_CE跳变一次）数据，接着等待发送结束。发送过程程序的流程如图3所示。

■

4.3 接收程序

接收控制器初始化之后，大部分时间均是捕捉发射遥控器的信号，并按指定的控制方式进行工作。因此，在其初始化后，就直接切换到接收模式（PWR_UP=1、TX_EN=0、TRX_CE=1），这个过程中需要延时650ns，接着就是MCU等待并检测NRF905的相关管脚的变更情况。首先查看AM管脚，如果AM=1，则表示地址匹配正确，然后判断DR管脚，如果DR=1，则表示数据接收对而且CRC校验正确。至此，即可将NRF905切换到待机模式读取数据，并按接收到的控制方式改变MCU的控制输出。然后，再次切换到接收模式，重新捕捉发射遥控器的信号。接收数据程序的流程图如图4所示。

■

5 小结

经过实验证明，本设计小巧灵便，工作稳定可靠，在室内3层以内能实现可靠通信，抗干扰性能力较强，完全可以满足智能家居的使用。而其低成本、易扩展、操作简单等特点，使之非常容易扩展到其他领域。

参考文献：

[1]王娟.基于ZigBee无线传感网络的智能家居系统设计与实现[D].东华理工大学，2013.

[2]孙国新.基于ZigBee技术的智能家居系统研究[D].天津科技大学，2011.

[3]王正丰.智能家居远程控制安全通信研究[D].华南理工大学，2013.