摘 要： 針對家庭應用中對智能燈光控制系統(tǒng)的需求，通過分析目前主流無線技術的特點，設計了一款以微控制器LPC1114和Si4432集成芯片為基礎的無線射頻模塊。介紹了模塊的架構，對其硬件和軟件設計中的關鍵技術進行了說明；給出了無線接收/發(fā)送程序流程。實驗表明,模塊具有傳輸距離遠、穿墻能力強的特點，非常適用于智能燈光控制系統(tǒng)。
關鍵詞： LPC1114；Si4432；無線射頻模塊；穿墻能力
0 引言
智能燈光控制系統(tǒng)是IT技術、網(wǎng)絡技術、控制技術應用在傳統(tǒng)燈光控制上的發(fā)展成果。隨著智能家居全面進入物聯(lián)網(wǎng)時代，有線智能燈光控制系統(tǒng)主要以總線、電力線載波等技術為主，存在著需要預布控制線、安裝難、擴展難、調(diào)試難、易受電網(wǎng)干擾和系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題。同時不能適應家居設備布置分散、更新頻繁的特點，無法滿足增添設備、擴展功能的要求，嚴重影響家居行業(yè)的發(fā)展。無線通信技術因其無需布線、安裝簡易，成為智能燈光控制系統(tǒng)通信方式的首選[1]。但由于無線網(wǎng)絡技術的復雜性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘葐栴}，目前在國內(nèi)并沒有作為家居系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡應用，大部分系統(tǒng)還是以有線為主，無線僅僅作為有線的一個擴展而普遍存在。但是隨著微電子技術和信號處理技術的進步，無線通信的實現(xiàn)越來越方便，智能家居領域從有線轉(zhuǎn)向無線是大勢所趨。因此選擇合適的智能家居無線技術是一個亟待解決的問題。
通過分析產(chǎn)品在家庭實際應用中的實用性、功能的擴展性、信號的傳輸效率和距離，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集成芯片為基礎構成的無線射頻通信模塊。基于此模塊的控制系統(tǒng)成功實現(xiàn)了高效率、遠距離、高靈敏度的無線數(shù)據(jù)傳輸。
1 無線技術的比較與分析
目前應用較為廣泛的近距離無線通信技術主要有紅外數(shù)據(jù)傳輸IrDA、藍牙、無線局域網(wǎng)WiFi、ZigBee、射頻技術等[2]。5種無線技術的特性如表1所示。
（1）IrDA
IrDA是一種利用紅外線進行點對點通信的技術，具有帶寬大的特點，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)點是無需申請頻率的使用權，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,兩個相互通信的設備必須對準,中間不能被其他物體阻隔。這些問題限制了它在智能燈光控制系統(tǒng)中的應用。
（2）藍牙
藍牙技術通過無線連接的方式使得近距離內(nèi)各種通信設備能夠?qū)崿F(xiàn)無縫資源共享, 也可以實現(xiàn)在各種數(shù)字設備之間的語音和數(shù)據(jù)通信。藍牙的標準是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)，采用藍牙技術的多臺設備，如手機、微機、激光打印機等以約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，成本過高，以及速度和安全性能不令人滿意。
（3）WiFi
WiFi(Wireless Fidelity)屬于無線局域網(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, 采用直接序列擴頻(DSSS)技術理論上可以達到11 Mb/s的速率。但如果多個用戶同時通過一個點接入，帶寬被多個用戶共享，則WiFi的連接速度只有幾百kb/s。WiFi的理論傳輸距離有100 m，但其信號傳輸容易受到障礙物的影響，實際在室內(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)的無線通信技術。
（4）ZigBee
ZigBee是一種短距離、低功耗、低傳輸速度、高網(wǎng)絡容量的無線通信技術,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是一種高可靠的無線數(shù)據(jù)傳遞網(wǎng)絡，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡。但由于采用隨機接入MAC層，不支持時分復用的信道接入方式，有延時性，并且信號衰減快，傳輸速率低，價格相對昂貴。
（5）射頻技術
射頻通信基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）的傳輸特性，利用一定頻率的載波通過天線發(fā)射出去，以交變的電磁場形式在自由空間以光速傳播，它是一種非接觸的自動識別技術。射頻載波頻率基本上有3個范圍：低頻(30 kHz~300 kHz)、高頻(3 MHz~30 MHz)和超高頻(300 MHz~3 GHz)[3]。
2 無線射頻模塊的開發(fā)和設計
通過分析市場上已有的產(chǎn)品類型以及國內(nèi)家庭的實際情況，本文提出一種基于Cortex-M0系列微控制器LPC1114和Si4432集成芯片構成的無線射頻通信模塊。該模塊基于無線射頻技術，它的接收靈敏度達到-117 dB，可提供極佳的鏈路質(zhì)量，在擴大傳輸范圍的同時將功耗降至最低；最小濾波帶寬達8 kHz，具有極佳的頻道選擇性。在240 MHz~960 MHz 頻段內(nèi)，不加功率放大器時的最大輸出功率就可達20 dBm，設計良好時收發(fā)距離最遠可達2 km。同時模塊具有+20 dB的功率放大器，能夠確保擴大通信范圍和改進鏈路性能。它獨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)換控制功能能夠進一步擴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)點是無需重新布線，不會破壞原有家居的美觀。利用點對點的射頻技術實現(xiàn)對燈光的控制，安裝設置都比較方便，傳輸距離遠，穿墻能力強，成本低。
在空曠條件和有墻壁遮擋情況下對模塊和主流無線技術的通信距離進行實驗比較，實驗得出的接收信號情況如表2所示。可以看出，本文設計的無線射頻模塊與市場上已有的技術比較，傳輸距離和穿墻能力是它的最大優(yōu)勢，更適合在家庭的智能燈光控制系統(tǒng)中使用[4]。
2.1 模塊硬件設計
LPC1114可通過增強型四線SPI接口，即SDI、SDO、SCLK和nSEL對這些寄存器讀寫，靈活配置各項參數(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，只有片選信號為低電平時，對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腳是標準的SPI接口，17腳(nIRQ)是中斷狀態(tài)輸出引腳。當FIFO溢出、有有效的數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收、CRC錯誤、檢測到前導位和同步字、上電復位等情況發(fā)生,且相應的中斷被使能時，17腳都會產(chǎn)生一個低電平以通知LPC1114有中斷產(chǎn)生。
LPC1114通過JTAG接口或者ISP模式與PC通信，可以實現(xiàn)模塊程序在線調(diào)試。無線模塊硬件結構如圖2所示。
2.2 模塊軟件設計
軟件的開發(fā)環(huán)境為Keil uVision3，軟件設計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計思想,系統(tǒng)中各主要功能模塊均編成獨立的函數(shù)由主程序調(diào)用。
（1）初始化設置
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關于無線收發(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。以上各模塊軟件設計流程參考Silicon Labs提供的應用手冊，可減少不必要的工作量。
（2）無線接收數(shù)據(jù)設置
Si4432共有128個寄存器，管理著芯片的各項功能、狀態(tài)，記錄著芯片的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)上電后，芯片處于默認狀態(tài)，根據(jù)功能需求進行寄存器的初始化配置。微控制器LPC1114通過SPI對寄存器進行訪問。SPI是位可配置的，其默認為MSB在前，與LPC1114的讀寫順序相同。SPI一次傳輸一個16 bit的命令序列，包括讀寫域和數(shù)據(jù)域。每次可以讀寫一個或多個字節(jié)，它們由時鐘信號控制，SPI接口提供了對讀寫連續(xù)寄存器的讀寫功能，在讀寫操作完成后，如果時鐘信號繼續(xù)有效，那么地址將會自動加1，對下一個寄存器進行讀寫操作，而不用重新發(fā)送SPI地址[6]。
關閉和空閑狀態(tài)稱為低功耗狀態(tài)，其中空閑狀態(tài)又可細分為5種不同的子狀態(tài)，它們在低功耗下完成各種與無線數(shù)據(jù)收發(fā)無關的操作。發(fā)送和接收狀態(tài)稱為激活狀態(tài)，在這種狀態(tài)下完成無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。除了關閉狀態(tài)外，其余狀態(tài)都可以通過SPI接口進行設置和讀取[7]。
發(fā)送數(shù)據(jù)：首先RS232接口電路接收邏輯電平信號，然后串并轉(zhuǎn)換電路將邏輯電平信號轉(zhuǎn)換成TTL電平信號，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)過功率放大電路進行功率放大后，通過天線將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。無線發(fā)送程序流程如圖3所示。
接收數(shù)據(jù)：芯片Si4432通過天線接收數(shù)據(jù)然后送入LPC1114中，LPC1114接收到的是TTL電平信號，串并轉(zhuǎn)換電路將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成邏輯電平信號, 并通過RS232接口電路將無線數(shù)據(jù)以邏輯電平信號形式發(fā)送到本地設備。無線接收程序流程如圖4所示。
本設計方案通過采用NXP提供的Cortex-M0內(nèi)核中SPI和GPIO相關驅(qū)動程序，實現(xiàn)了SPI與Si4432的數(shù)據(jù)傳輸。同時利用U-Link仿真器，對LPC1114進行ISP調(diào)試，極大地提高了開發(fā)效率。
3 結論
本文就目前市場上種類繁多的無線通信技術，針對家庭智能燈光控制系統(tǒng)提出以LPC1114和Si4432集成芯片為基礎的無線射頻通信模塊。本模塊可以嵌入到智能燈光控制系統(tǒng)中，構成一個無線網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的無線通信。實驗證明，該模塊運行效果良好，具有傳輸距離遠、穿墻能力強以及通信誤碼率低的特點。
本模塊已在實際的項目中應用，得到了用戶的認可和好評。系統(tǒng)的應用推廣將有助于推動整個行業(yè)以及智能燈光控制技術的發(fā)展。
參考文獻
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[2] 馮莉, 董桂梅, 林玉池. 短距離無線通信技術及其在儀器通信中的應用[J]. 儀表技術與傳感器, 2007 (2): 31-32.
[3] 張方奎, 張春業(yè). 短距離無線通信技術及其融合發(fā)展研究[J]. 電測與儀表, 2007, 44(10): 48-52.
[4] 趙欣, 歐劍, 朱玉玉. 基于無線通信技術的溫控系統(tǒng)的研究與設計[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學學報, 2010, 41(7): 128-134.
(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