摘 要： 針對(duì)家庭應(yīng)用中對(duì)智能燈光控制系統(tǒng)的需求，通過(guò)分析目前主流無(wú)線技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款以微控制器LPC1114和Si4432集成芯片為基礎(chǔ)的無(wú)線射頻模塊。介紹了模塊的架構(gòu)，對(duì)其硬件和軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了說(shuō)明；給出了無(wú)線接收/發(fā)送程序流程。實(shí)驗(yàn)表明,模塊具有傳輸距離遠(yuǎn)、穿墻能力強(qiáng)的特點(diǎn)，非常適用于智能燈光控制系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵詞： LPC1114；Si4432；無(wú)線射頻模塊；穿墻能力

0 引言

　　智能燈光控制系統(tǒng)是IT技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)應(yīng)用在傳統(tǒng)燈光控制上的發(fā)展成果。隨著智能家居全面進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，有線智能燈光控制系統(tǒng)主要以總線、電力線載波等技術(shù)為主，存在著需要預(yù)布控制線、安裝難、擴(kuò)展難、調(diào)試難、易受電網(wǎng)干擾和系統(tǒng)不穩(wěn)定等問(wèn)題。同時(shí)不能適應(yīng)家居設(shè)備布置分散、更新頻繁的特點(diǎn)，無(wú)法滿足增添設(shè)備、擴(kuò)展功能的要求，嚴(yán)重影響家居行業(yè)的發(fā)展。無(wú)線通信技術(shù)因其無(wú)需布線、安裝簡(jiǎn)易，成為智能燈光控制系統(tǒng)通信方式的首選[1]。但由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的復(fù)雜性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘葐?wèn)題，目前在國(guó)內(nèi)并沒(méi)有作為家居系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，大部分系統(tǒng)還是以有線為主，無(wú)線僅僅作為有線的一個(gè)擴(kuò)展而普遍存在。但是隨著微電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)線通信的實(shí)現(xiàn)越來(lái)越方便，智能家居領(lǐng)域從有線轉(zhuǎn)向無(wú)線是大勢(shì)所趨。因此選擇合適的智能家居無(wú)線技術(shù)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

　　通過(guò)分析產(chǎn)品在家庭實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)用性、功能的擴(kuò)展性、信號(hào)的傳輸效率和距離，以及成本等方面因素，本文提出以Cortex-M0系列微控制器LPC1114和Si4432集成芯片為基礎(chǔ)構(gòu)成的無(wú)線射頻通信模塊?；诖四K的控制系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了高效率、遠(yuǎn)距離、高靈敏度的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

1 無(wú)線技術(shù)的比較與分析

　　目前應(yīng)用較為廣泛的近距離無(wú)線通信技術(shù)主要有紅外數(shù)據(jù)傳輸IrDA、藍(lán)牙、無(wú)線局域網(wǎng)WiFi、ZigBee、射頻技術(shù)等[2]。5種無(wú)線技術(shù)的特性如表1所示。

　　（1）IrDA

　　IrDA是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)，具有帶寬大的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸效率較高，適于傳輸大容量的文件和多媒體數(shù)據(jù)，最主要的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需申請(qǐng)頻率的使用權(quán)，成本低廉。但紅外最大的不足在于它是一種視距傳輸, 傳輸距離短,兩個(gè)相互通信的設(shè)備必須對(duì)準(zhǔn),中間不能被其他物體阻隔。這些問(wèn)題限制了它在智能燈光控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　（2）藍(lán)牙

　　藍(lán)牙技術(shù)通過(guò)無(wú)線連接的方式使得近距離內(nèi)各種通信設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫資源共享, 也可以實(shí)現(xiàn)在各種數(shù)字設(shè)備之間的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信。藍(lán)牙的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15，工作在2.4 GHz頻帶,有效范圍大約在10 m半徑內(nèi)。在此范圍內(nèi)，采用藍(lán)牙技術(shù)的多臺(tái)設(shè)備，如手機(jī)、微機(jī)、激光打印機(jī)等以約1 Mb/s的速率相互傳遞數(shù)據(jù)。但它的不足在于通信的有效距離太短，成本過(guò)高，以及速度和安全性能不令人滿意。

　　（3）WiFi

　　WiFi(Wireless Fidelity)屬于無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的一種, 通常是指IEEE802.11b 產(chǎn)品。IEEE 802.11b工作頻段為2.4 GHz的ISM自由頻段, 采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)理論上可以達(dá)到11 Mb/s的速率。但如果多個(gè)用戶同時(shí)通過(guò)一個(gè)點(diǎn)接入，帶寬被多個(gè)用戶共享，則WiFi的連接速度只有幾百kb/s。WiFi的理論傳輸距離有100 m，但其信號(hào)傳輸容易受到障礙物的影響，實(shí)際在室內(nèi)傳輸距離只有20 m左右。WiFi通信距離太短、成本較高以及安全性這些特性決定了它不適合作為智能燈光控制系統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)。

　?。?）ZigBee

　　ZigBee是一種短距離、低功耗、低傳輸速度、高網(wǎng)絡(luò)容量的無(wú)線通信技術(shù),其有效覆蓋范圍在10 m~75 m之間，工作于可選擇的868 MHz 、915 MHz、2.4 GHz 頻段，傳輸速率為250 kb/s。ZigBee是一種高可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)傳遞網(wǎng)絡(luò)，類(lèi)似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。但由于采用隨機(jī)接入MAC層，不支持時(shí)分復(fù)用的信道接入方式，有延時(shí)性，并且信號(hào)衰減快，傳輸速率低，價(jià)格相對(duì)昂貴。

　　（5）射頻技術(shù)

　　射頻通信基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合（電感或電磁耦合）的傳輸特性，利用一定頻率的載波通過(guò)天線發(fā)射出去，以交變的電磁場(chǎng)形式在自由空間以光速傳播，它是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。射頻載波頻率基本上有3個(gè)范圍：低頻(30 kHz~300 kHz)、高頻(3 MHz~30 MHz)和超高頻(300 MHz~3 GHz)[3]。

2 無(wú)線射頻模塊的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)

　　通過(guò)分析市場(chǎng)上已有的產(chǎn)品類(lèi)型以及國(guó)內(nèi)家庭的實(shí)際情況，本文提出一種基于Cortex-M0系列微控制器LPC1114和Si4432集成芯片構(gòu)成的無(wú)線射頻通信模塊。該模塊基于無(wú)線射頻技術(shù)，它的接收靈敏度達(dá)到-117 dB，可提供極佳的鏈路質(zhì)量，在擴(kuò)大傳輸范圍的同時(shí)將功耗降至最低；最小濾波帶寬達(dá)8 kHz，具有極佳的頻道選擇性。在240 MHz~960 MHz 頻段內(nèi)，不加功率放大器時(shí)的最大輸出功率就可達(dá)20 dBm，設(shè)計(jì)良好時(shí)收發(fā)距離最遠(yuǎn)可達(dá)2 km。同時(shí)模塊具有+20 dB的功率放大器，能夠確保擴(kuò)大通信范圍和改進(jìn)鏈路性能。它獨(dú)有的支持頻率跳變能夠提高模塊的抗干擾能力，TX/RX 轉(zhuǎn)換控制和內(nèi)置天線分集轉(zhuǎn)換控制功能能夠進(jìn)一步擴(kuò)大通信距離和提高通信性能。在拓展性方面，Si4432自帶雙向通信功能，為以后在物聯(lián)網(wǎng)上的發(fā)展提供了很好的條件。

　　作為智能燈光控制系統(tǒng)中的通信模塊，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需重新布線，不會(huì)破壞原有家居的美觀。利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的控制，安裝設(shè)置都比較方便，傳輸距離遠(yuǎn)，穿墻能力強(qiáng)，成本低。

　　在空曠條件和有墻壁遮擋情況下對(duì)模塊和主流無(wú)線技術(shù)的通信距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，實(shí)驗(yàn)得出的接收信號(hào)情況如表2所示。可以看出，本文設(shè)計(jì)的無(wú)線射頻模塊與市場(chǎng)上已有的技術(shù)比較，傳輸距離和穿墻能力是它的最大優(yōu)勢(shì)，更適合在家庭的智能燈光控制系統(tǒng)中使用[4]。

　　2.1 模塊硬件設(shè)計(jì)

　　LPC1114可通過(guò)增強(qiáng)型四線SPI接口，即SDI、SDO、SCLK和nSEL對(duì)這些寄存器讀寫(xiě)，靈活配置各項(xiàng)參數(shù)。其中，SDI用于從LPC1114到Si4432的串行數(shù)據(jù)傳輸；SDO用于從Si4432到LPC1114的串行數(shù)據(jù)傳輸；SCLK用于同步LPC1114和Si4432間在MOSI和MISO線上的串行數(shù)據(jù)傳輸；nSEL作為片選信號(hào)，只有片選信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)Si4432的操作才有效，電路中提供的接收低噪聲放大器匹配電路和發(fā)射功率放大器匹配電路的阻容參數(shù)，可以使Si4432達(dá)到較好的通信效果[5]。LPC1114和Si4432芯片的硬件電路原理圖如圖1所示。

　　Si4432的13 ~ 16腳是標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，17腳(nIRQ)是中斷狀態(tài)輸出引腳。當(dāng)FIFO溢出、有有效的數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收、CRC錯(cuò)誤、檢測(cè)到前導(dǎo)位和同步字、上電復(fù)位等情況發(fā)生,且相應(yīng)的中斷被使能時(shí)，17腳都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平以通知LPC1114有中斷產(chǎn)生。

　　LPC1114通過(guò)JTAG接口或者ISP模式與PC通信，可以實(shí)現(xiàn)模塊程序在線調(diào)試。無(wú)線模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.2 模塊軟件設(shè)計(jì)

　　軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境為Keil uVision3，軟件設(shè)計(jì)的目的是完成微控制器LPC1114和Si4432的初始化配置、數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

　　軟件編程采用模塊化設(shè)計(jì)思想,系統(tǒng)中各主要功能模塊均編成獨(dú)立的函數(shù)由主程序調(diào)用。

　?。?）初始化設(shè)置

　　本模塊的軟件系統(tǒng)大體上可以分為以下部分：初始化部分、數(shù)據(jù)發(fā)送部分和數(shù)據(jù)接收部分。初始化模塊包括LPC1114的初始化[5]、SPI的初始化以及Si4432關(guān)于無(wú)線收發(fā)頻率、工作模式、發(fā)射速率等內(nèi)部寄存器的初始化配置，相關(guān)寄存器配置可以從Silicon Labs提供的Excel表格中得到。以上各模塊軟件設(shè)計(jì)流程參考Silicon Labs提供的應(yīng)用手冊(cè)，可減少不必要的工作量。

　?。?）無(wú)線接收數(shù)據(jù)設(shè)置

　　Si4432共有128個(gè)寄存器，管理著芯片的各項(xiàng)功能、狀態(tài)，記錄著芯片的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)上電后，芯片處于默認(rèn)狀態(tài)，根據(jù)功能需求進(jìn)行寄存器的初始化配置。微控制器LPC1114通過(guò)SPI對(duì)寄存器進(jìn)行訪問(wèn)。SPI是位可配置的，其默認(rèn)為MSB在前，與LPC1114的讀寫(xiě)順序相同。SPI一次傳輸一個(gè)16 bit的命令序列，包括讀寫(xiě)域和數(shù)據(jù)域。每次可以讀寫(xiě)一個(gè)或多個(gè)字節(jié)，它們由時(shí)鐘信號(hào)控制，SPI接口提供了對(duì)讀寫(xiě)連續(xù)寄存器的讀寫(xiě)功能，在讀寫(xiě)操作完成后，如果時(shí)鐘信號(hào)繼續(xù)有效，那么地址將會(huì)自動(dòng)加1，對(duì)下一個(gè)寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，而不用重新發(fā)送SPI地址[6]。

　　關(guān)閉和空閑狀態(tài)稱為低功耗狀態(tài)，其中空閑狀態(tài)又可細(xì)分為5種不同的子狀態(tài)，它們?cè)诘凸南峦瓿筛鞣N與無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)無(wú)關(guān)的操作。發(fā)送和接收狀態(tài)稱為激活狀態(tài)，在這種狀態(tài)下完成無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)。除了關(guān)閉狀態(tài)外，其余狀態(tài)都可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置和讀取[7]。

　　發(fā)送數(shù)據(jù)：首先RS232接口電路接收邏輯電平信號(hào)，然后串并轉(zhuǎn)換電路將邏輯電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)，轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)送入LPC1114中，經(jīng)LPC1114處理后送入芯片Si4432，芯片Si4432輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)功率放大電路進(jìn)行功率放大后，通過(guò)天線將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。無(wú)線發(fā)送程序流程如圖3所示。

　　接收數(shù)據(jù)：芯片Si4432通過(guò)天線接收數(shù)據(jù)然后送入LPC1114中，LPC1114接收到的是TTL電平信號(hào)，串并轉(zhuǎn)換電路將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成邏輯電平信號(hào), 并通過(guò)RS232接口電路將無(wú)線數(shù)據(jù)以邏輯電平信號(hào)形式發(fā)送到本地設(shè)備。無(wú)線接收程序流程如圖4所示。

　　本設(shè)計(jì)方案通過(guò)采用NXP提供的Cortex-M0內(nèi)核中SPI和GPIO相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)了SPI與Si4432的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)利用U-Link仿真器，對(duì)LPC1114進(jìn)行ISP調(diào)試，極大地提高了開(kāi)發(fā)效率。

3 結(jié)論

　　本文就目前市場(chǎng)上種類(lèi)繁多的無(wú)線通信技術(shù)，針對(duì)家庭智能燈光控制系統(tǒng)提出以LPC1114和Si4432集成芯片為基礎(chǔ)的無(wú)線射頻通信模塊。本模塊可以嵌入到智能燈光控制系統(tǒng)中，構(gòu)成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)線通信。實(shí)驗(yàn)證明，該模塊運(yùn)行效果良好，具有傳輸距離遠(yuǎn)、穿墻能力強(qiáng)以及通信誤碼率低的特點(diǎn)。

　　本模塊已在實(shí)際的項(xiàng)目中應(yīng)用，得到了用戶的認(rèn)可和好評(píng)。系統(tǒng)的應(yīng)用推廣將有助于推動(dòng)整個(gè)行業(yè)以及智能燈光控制技術(shù)的發(fā)展。

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　　(College of Mechanical and Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

　　Hua Jiang，Huang YinResearch and design of wireless RF module based on Si4432