基于NRF24L01的智能家居系统(共20页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上电子系统设计大赛作品申报表作品名称 基于NRF24L01的智能家居系统参赛项目电子系统设计团体赛申报单位名称 （此处加盖单位公章）参赛者姓名 许永强 李明权 王海银指导教师姓名 郭宇联系方式联系人郭宇电话手机邮箱作品简介(含图片、开发背景、结构说明、功能与使用说明等，字数不超过1000字)平台选型说明设计说明（含原理图、设计原理、设计方案等，字数不超过3000字）作品特色（含作品的先进性、实用性、创新性等，字数不超过500字）声明本参赛队伍所有成员一致同意，在不涉及技术泄密的情况下，大赛主办方及相关技术支持单位，可以将该参赛作品用于大赛等有关活动使用。注:本申报表电子版及作品全景照片发送李建海或于晓伟，邮箱EITP或yuxiaowei，电话：。专心-专注-专业附录：目 录1产品简介 )  ) )2平台选型说明 )3设计说明 ) )  )  0)  nRF24L01数据传输模块概述2)  3) 7)4产品特色 0)  0)1.产品简介1.1课题背景 随着计算机网络技术和电子信息技术的发展，实现对家庭信息的及时 监控与保障安全是现在智能家居系统的普遍要求。 可靠性高、便于移动等优点。 本文在分析了国内外智能家居系统发展现状的基础上，针对实现智能家居无线控制系统中最实用与必要的主要环节，通过对STC15F2K60S2主控板和NRF24L01无线模块以及多个传感器的学习，设计制作出了最通用简洁的无线数传智能家居系统。1.2结构说明 根据系统的设计要求，作品主要分为两大部分9个模块，具体如下图1.2所示。液晶显示模块 主控模块矩阵键盘步进电机 门禁系统部分 温度传感器数传模块人体热感数传模块无线数传主接收模块 光敏传感器数传模块烟雾传感器数传模块 无线数传部分 (2)门禁系统：门禁系统采用密码输入准入方式，处理器采用STC15系列单片机，输入设备采用比赛组委提供主控板上自带的4x4矩阵键盘，密码和操作信息通过1602液晶屏显示。(3)无线数传模块：无线数传模块采用NRF24L01无线射频芯片，可以实现点对点或是1对6的无线通信。处理器采用了STC89系列单片机，实时检测到的数据通过1602液晶显示。1.3功能与使用说明具体功能与使用如下图所示 功能:本家居系统可以实现对室内环境的实时监测，在1602液晶显示上实时显示监测到的信息，方便主人获取室内环境参数。为家庭营造个安全舒适的环境。各个传感器数传模块除了将采集到的参数发送出去之外，还会自己根据环境参数实时作出反应。功能如下： DS18B20温度传感模块：监测室内环境温度在1602液晶上显示，并发送到主接收模块显示。当环境温度大于设定值时，本温度传感模块将控制所在居室的降温设备。 MQ-2气体烟雾传感模块：主要用于厨房的可燃气体监测，本传感模块在环境正常时候处于待机节电模式，当检本烟雾传感模块将控制排气设备和窗户的开启。并发送警报信息至主接收 DYP-ME003人体感应模块：本模块有两方面的应用，可通过key开关选择。断开开关，人体感应模块进入灯控功能。此时，当有人进入感应区时，感应区的照明灯开启。当主人要离家时，闭合key开关，人体感应模块进入警报状态。此后，若有人进入感应区，液晶显示warning！警告信息。并发送警报信息至主接收模块。 光敏传感模块：本模块实时监测室内光线强度，根据光线强度控制照明灯和窗户的开和关，液晶实时显示出光线强度是否在舒适的范围内。光线较舒适时，模块处于待机节电模式。当光线较暗时，液晶显示光线较暗信息，本模块控制窗帘和照明灯开启，并将信息发送至主接收模块液晶，显示出光线较暗信息。(1) 使用说明： 本作品门禁系统主控采用比赛组提供的以IAP15F2K61S2单片机为核心主控板（如下图1），自带有1602液晶接口和矩阵键盘,采用5V开关电源。接通电源后按一下单片机的复位开关，此时我们可以看到液晶屏显示出welcome字符内容。然后通过矩阵键盘的上的相应按键功能（如下图2）实现输入密码开门、关门、响门铃、更改密码、返回主界面等功能。 图1 图2 操作时，先打开主接收板电源，然后开启温度传感器电源，预热延迟一段时间后，主接收板将会接收到温度传感器模块发送来的实时检测到的温度数据。打开光敏数传模块板电源，一段时间预热后，光敏数传模块会根据实时检测到的光线强度控制照明灯和窗帘。而主接收板将会接收到此模块的监测信息，并作出相应显示。其余数传模块板操作过程类似。 2 平台选择说明 2.1 主控部分 主控部分采用比赛组委会提供的IAP15F2K61S2为核心的单片机，其原理图和实物图如下图1、2所示 图1 图21.主控采用宏晶公司最新STC系列IAP15F2K61S2芯片。ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器，无需仿真器。可当仿真器使用。2.增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，速度比普通8051快8-12倍3.61K字节片内片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上4.片内大容量2048字节的SRAM5.大容量片内EEPROM，擦写次数10万次数以上6.共8通道10位高速ADC，速度可达30万次/秒，3路PWM还可当3路D/A使用7.共3通道捕获/比较单元（CCP/PWM/PCA）8.内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压，彻底省掉外部复位电路9.内部高精度R/C时钟，内部时钟从5MHz35MHz可选，相当于普通8051的60MHz420MHz10.两组高速异步串行通信端口（可同时使用），可在5组管脚之间进行切换，分时复用可当5组串口使用。11.一组高速异步串行通信端口SPI。12各种接口扩展齐全。13.一根优质USB线实现系统供电、程序下载、通信功能。3设计说明3.1设计要求(1)门禁系统部分要实现密码输入准入，输入错误三次后，触发警报。可通过键盘设置新密码。所用电路模块均由比赛组提供的主控板提供，节约设计成本。(2)无线数传主接收板实现对信息准确接收，丢包现象较少。(3)温度数传模块板实现对环境温度的准确检测，控制降温设备的开启，并能实时发送至主接收板显示，丢包现象较少。(4)光敏数传模块板实现对所在环境光线强度的实时检测，并根据检测的信息控制灯光和窗帘的开合关，并发送信息之主接收板，丢包现象较少。(5)烟雾数传模块板实现对环境中可燃气体和烟雾的检测，检测到可燃气体或烟雾后，控制排气设备开启，并发送警告信息至主接收板，发出警报。丢包现象较少。（6）人体感应数传模块板实现两个功能，主人在家时对照明灯进行控制，实现人来灯亮，人走灯灭的效果。主人离家时实现防盗警报作用，实现检测的有人发出警报的作用，并将警报信息发送至主接收板。（7）电路板元器件布局要规律美观，走线有序，焊接点精致。（8）家居模型外观美观，房间布局合理，制作精致。3.2系统硬件电路设计3.2.1无线数传传感器模块本模块由STC89C52单片机为核心，L7805、RE133-3.3A稳压芯片和1602液晶显示模块组成，其原理图和实物图如下图1、2所示 图1 图 2 模块外接7.5v电压，经过两个稳压器的稳压变换，可为本模块提供两种工作电压。STC89C52正极连接到L7805输出引脚获取稳定的5V电压，同时为RE133-3.3A提供5V输入电压。NRF24L01接口连接STC89C52的P1口，电源正极连接到RE133-3.3A输出引脚，获得稳定的3.3v电压。1602液晶显示屏D0-D7通过拉高电阻连接到STC89C52的P0口。RS、RW、EN使能端分别连接到I/O口P2.6 P2.5 P2.7。 3.2.2无线数传主接收模块 主接收模块原理图、实物图下图1、2所示 图 1 图 2nRF24L01对电压要求较高，供电的电压要足够稳定，所以供电的电源经过两次稳压。nRF24L01无线模块的理想工作电压是3.3伏，其中的一次稳压还要对电压进行转换以满足无线模块的工作电压。给该模块供电的电压采用7.5v，经LM7805稳压模块，电压转为稳定的5伏电压，5伏电压经AMS1117稳压模块，电压转为无线模块需要的3.3伏。无线模块有8个引脚，一个电源脚一个地脚六个输入输出引脚，六个输入输出引脚接单片机的P1口，单片机通过P1口对无线模块进行读写操作。LCD1602的数据端口通过1K的上拉电阻接单片机的P0口，单片机通过P0口对LCD1602进行读写操作，1602的使能端口、写数据端口和写指令端口接单片机P2口的其中三个引脚，单片机通过这三个引脚来控制对1602的数据端口是写数据操作还是写指令操作。1602的电源接7805稳压之后的5伏电源。1602的三脚接一个10K的滑动变阻器用来调整1602的明亮程度。蜂鸣器通过8550三极管后再接一个1K的上拉电阻接单片机的P1口剩余引脚当中的一个，单片机通过这一引脚驱动蜂鸣器发出报警声。四个发光二极管接1K电阻后接单片机的P2口的其中四个引脚，单片机通过控制这四个发光二极管的亮和灭指示报警区域。3.2.3 nRF24L01数据传输模块概述nRF24L01无线模块是采用挪威NORDIC公司的nRF24L012.4G无线收发IC设计的一款高性能2.4G无线收发模块，采用GFSK调制，工作在24002483M的国际通用ISM 频段，最高调制速率可达2MBPS29。nRF24L01无线模块集成了所有射频协议在高速信号处理的部分，如：数据包丢失后会自动重新发送，并自动生成应答确认信号等等，单片机的输入/输出端口可以模拟模块的SPI接口，如果单片机带有硬件SPI接口也可以与模块的SPI接口直接连接，高速和低速的单片机都可以与模块内部的FIFO接口，这样就便于使用廉价的单片机30。模块大小32X15.2mm，2.54mm 间距的双排插针接口，使用内置PCB天线设计，开阔地1MBPS 速率下，收发10个字节的数据量测试距离最远约70 米左右。图 1无线模块尺寸从单片机控制的角度来看，我们只需要关注左边的六个控制和数据信号，分别为CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE。CSN：芯片的片选线，CSN为低电平芯片工作；SCK：芯片控制的时钟线（SPI时钟）；MISO：芯片控制数据线（Master Input Slave Output）；MOSI：芯片控制数据线（Master Output Slave Input ）；IRQ：中断信号，无线通信过程中MCU主要是通过IRQ与nRF24L01进行通信31；CE： 芯片的模式控制线，在CSN为低的情况下，CE协同nRF24L01的CONFIG 寄存器共同决定 nRF24L01的状态。3.2.4 nRF24L01无线芯片概述1、nRF24L01是NORDIC公司最近生产的一款工作在2.42.5GHz世界通用ISM频段的单片无线通信芯片，采用FSK调制，内部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst协议。可以实现点对点或是1对6的无线通信。无线通信速度可以达到2M（bps）。NORDIC公司提供通信模块的GERBER文件，可以直接加工生产。嵌入式工程师或是单片机爱好者只需要为单片机系统预留5个GPIO，1个中断输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常适合用来为MCU系统构建无线通信功能。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置，极低的电流消耗，当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9.0mA，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。nRF24L01无线芯片特性： （1）真正的GFSK单收发芯片。 （2）内置链路层。 （3）自动应答及自动重发功能。 （4）地址及CRC检验功能。 （5）数据传输率1或2Mbps。 （6）SPI接口数据速率08Mbps。 （7）125个可选工作频道。 （8）很短的频道切换时间，用于跳频。 （9）与nRF24XX 系列完全兼容。 （10）20脚QFN，4X4mm 封装。 （11）极低的晶振要求。 （12）低成本电感和双面PCB板。 （13）工作电压 1.93.6V。2、nRF24L01工作方式nRF24L01有多种工作方式，主要有以下四类：等待工作方式、掉电工作方式、高级ShockBurstTM发送工作方式和高级ShockBrustTM接收工作方式。3、nRF24L01自动应答与自动重传功能自动响应功能减少对外部MCU的负载，以及在应用中不需要硬件应该有一个SPI接口，如鼠标、键盘，从而降低了成本，降低消耗。自动响应功能通过SPI端口配置不同的数据通道。自动应答模式启动，收到数据包后系统进入传输模式传输确认信号。确认信号发送完毕，系统将返回到正常工作模式（PRIM_RX位和CE确定工作方式）。自动重传功能是为了配合启动自动应答功能的发送方。重传数据的启动时间由SETUP_RETR寄存器设定。发送数据结束后，系统由发送工作方式转为接收工作方式，并在预设的时间内等待响应信号。如果发送方未收到响应信号，系统会返回发送工作方式重传数据直到接收到响应信号或者重传次数达到预设的最大发送次数。改变PRIM_RX的配置或者要发送新的数据，复位丢包计数器。4、数据通道nRF24L01工作在接收方式下，可以接收不同通道的6个通道数据。每个通道的数据使用的地址互不相同，但是使用同一个频道。换句话说，工作在发送方式的6个不同配置参数的nRF24L01可与同一个工作在接收方式的nRF24L01进行连接通信，处在接收方式的nRF24L01可以识别这六个发送方。通道0的自身地址可配置为40位，没有公用地址，通道1到通道5的自身地址为8位，公用地址为32位。通道0到通道5都能设为高级ShockBurstTM工作方式。EN_RXADDR寄存器设置数据通道地址，通道0和通道1在默认状态下是开启的。通道的地址通过RX_ADDR_Px寄存器配置。正常情况下，所有的通道不能配置完全一样的地址。通道1到通道5地址的最低字节为自身地址。图3.2.5（1）所示的是通道1到通道5 的地址设置方法举例。所有通道的地址可以设置多达40位，通道1到通道5的自身地址必须不同。图 2 通道05的地址设置如果接收到数据的通道启动应答功能，接收到数据后，nRF24L01产生响应信号，响应信号的目标地址就是接收通道的地址。nRF24L01确认接收数据后会对发送方的地址进行记录，以发送方的地址作为目标地址传输响应信号，一般情况下，发送方的地址只有和通道0的接收地址完全相同才能保证能够正常进行数据发送与接收。见图3.2.5（2）应答地址确定举例。nRF24L01 设置为高级ShockBurstTM工作方式时，MCU只要有数据传输，nRF24L01的高级ShockBurstTM工作方式就会开始启动进行数据传输。发送数据结束后，nRF24L01进入接收方式等待发送方的响应信号。如果接收方未收到响应信号，nRF24L01重复发送先前的数据包，收到接收方的响应信号或者重复发送的次数达到预设值，产生接收中断。一旦发送方接收到响应信号，发送方认为接收方已经成功接收到数据，产生发送中断，清除发送寄存器中的数据。 图3.2.4（2） 应答地址确定举例2.2.6 系统软件设计 1、门禁系统程序流程图开始 程序初始化 扫描键盘 送1602显示 关门 门铃 更改密码 密码输入输入旧密码门铃响是否正确 否输入新密码更改成功 提示错误是 开门是否有三次 是 警报2、 无线主接收模块程序流程图 开始 程序初始化 设置为接收模式 接收到数据是否大于设定值 否 是 警报器响 液晶显示3、 无线发送模块程序流程图 开始 程序初始化 监测数据 液晶显示判断是否大于设定值 否 是 设置为发送模式发送数据液晶显示 本设计程序主要分成三个部分：门禁系统部分、无线主接收部分、无线传感器发射部分。4产品特色4.1实用性 本作品的实用性很强，首先作为无线传输手段，它可以对家居任何角落场合的环境信息进行检测，解决了布线距离的限制，对环境也没有太多要求，可以检测到人类不适合到达的地方的信息，为营造一个智能、舒适、安全的家居环境提供了手段。同时，无线手段扩大了数据检测传输的范围，完全可以应用到其他需要的场合。比如对煤矿可燃气体的监控，可以预警保障采矿工作人员的生命安全；还可以温室大棚温度实时检测，确保室温符合蔬菜正常生长的范围，提高生产量等等。4.2创新性近些年，智能家居在对家居环境进行智能控制的过程中，大部分采用有线布线方式。有线布线方式不仅增加了成本，对检测范围也会受到空间距离的限制，更会影响家居室内的整体美观。而信息采集和远程控制系统采用无线传送技术，可以实现一些人类无法立足的恶劣环境和空间等相关环境中的重要数据的采集和监测。本设计在分析了智能温室的国内外现状后，针对智能温室多采用有线进行传输控制，而且布线不方便，成本高，维护困难等问题，应用nRF24L01无线模块，设计了一个小型的智能家居系统。与传统的有线家居系统相比，它能够弥补有线设备的缺陷，具有布线成本低、安装简便、可靠性高、便于移动等优点，而且该系统可更换部分装置，然后实现其它功能，应用于其它环境，具有很强的移植性。