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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于2.4GHz的無(wú)線控制系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)、家庭的自動(dòng)化控制，以取代線纜為目標(biāo)，我們的項(xiàng)目組選擇了2.4GHz（2.4～2.483GHz）ISM 頻段用于無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)范圍的短距離無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，2.4G技術(shù)使用的是自動(dòng)調(diào)頻技術(shù)，通過(guò)MCS-51單片機(jī)的控制2.4GM模塊實(shí)現(xiàn)雙向通信。
- 詳細(xì)介紹：
- 一、2.4G無(wú)線技術(shù)的特點(diǎn) 而且2.4G無(wú)線技術(shù)不同于之前的27MHz無(wú)線技術(shù)，它的工作方式是全雙工模式傳輸，在抗干擾性能上要比27MHz有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。這個(gè)優(yōu)勢(shì)決定了它的超強(qiáng)抗干擾性以及最大可達(dá)10米的傳輸距離。此外2.4G無(wú)線技術(shù)還擁有理論上2M的數(shù)據(jù)傳輸速率，比藍(lán)牙的1M理論傳輸速率提高了一倍。這就為以后的應(yīng)用層提高了可靠的保障。 二、 基于2.4GHz的無(wú)線控制系統(tǒng)原理 （1）發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，首先將nRF24L01配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADD和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序由SPI口寫(xiě)入nRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時(shí)連續(xù)寫(xiě)入，而TX_ADDR在發(fā)射時(shí)寫(xiě)入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10μs，延遲130μs后發(fā)射數(shù)據(jù);若自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，那么nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號(hào)（自動(dòng)應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR一致）。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時(shí)TX_PLD從TX FIFO中清除;若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動(dòng)重發(fā)已開(kāi)啟)，若重發(fā)次數(shù)(ARC)達(dá)到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā);MAX_RT或TX_DS置高時(shí)，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU。最后發(fā)射成功時(shí),若CE為低則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1;若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射;若發(fā)送堆棧中無(wú)數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入空閑模式2。 （2）接收數(shù)據(jù)時(shí),首先將nRF24L01配置為接收模式，接著延遲130μs進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來(lái)。當(dāng)接收方檢測(cè)到有效的地址和CRC時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在RX FIFO中，同時(shí)中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU去取數(shù)據(jù)。若此時(shí)自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，接收方則同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。最后接收成功時(shí)，若CE變低，則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1。 （3）配置字 SPI口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為10 Mb/s，傳輸時(shí)先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。但針對(duì)單個(gè)字節(jié)而言，要先送高位再送低位。與SPI相關(guān)的指令共有8個(gè)，使用時(shí)這些控制指令由nRF24L01的MOSI輸入。相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息是從MISO輸出給MCU。nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定義，這些配置寄存器可通過(guò)SPI口訪問(wèn)。 三、 nRF24L01的配置及其工作模式 首先nRF24L01 與單片機(jī)進(jìn)行的是SPI 通信，有兩種方式可供選擇：直接使用單片機(jī)的USCI 接口，讓其工作于SPI 模式；使用單片機(jī)的引腳進(jìn)行模擬SPI 通信。因?yàn)閷?duì)于SPI工作模式較為熟悉，因此我們?cè)谶@里選擇了后者。 另外nRF24L01 的通信方式有2 種：Enhanced ShockBurstTM和ShockBurstTM，前者有自動(dòng)應(yīng)答機(jī)制，感覺(jué)應(yīng)該適合用在無(wú)線鼠標(biāo)、無(wú)線鍵盤(pán)等場(chǎng)合，而后者兼容nRF2401A，nRF24E1，nRF2402 及nRF24E2 的空中通信接口，而且nRF24L01 在項(xiàng)目中的主要應(yīng)用是有源電子標(biāo)簽及其讀卡器，因此考慮使用ShockBurstTM通信方式。 此外nRF24L01 有4 種工作模式：分別是Power Down Mode，Standby Modes，RX Mode，TX Mode；控制芯片工作的信號(hào)引腳有6 條：CE，CSN，SCK，MOSI，MISO，IRQ注意的地方是：有的nRF24L01 的命令只能用在Power Down Mode 和Standby Modes，不注意到這點(diǎn)，很容易出錯(cuò)； 單片機(jī)和nRF24L01 不進(jìn)行SPI 通信的時(shí)候，單片機(jī)要讓CSN 引腳為高電平1，進(jìn)行SPI 通信的時(shí)候，nRF24L01 作為SPI 的從設(shè)備，單片機(jī)作為SPI 通信的主設(shè)備，通信總是從單片機(jī)控制CSN 引腳的電位從1 變?yōu)? 開(kāi)始，然后是單片機(jī)通過(guò)MOSI 給出的SPI 命令，如果還有數(shù)據(jù)則可以跟上數(shù)據(jù)，最后以CSN 變?yōu)? 結(jié)束本次SPI 通信，當(dāng)然如果通過(guò)MOSI 給出的SPI命令是讀取命令，則nRF24L01 的應(yīng)答從MISO 引腳返回（當(dāng)然每次有SPI 命令時(shí)，nRF24L01 都會(huì)把當(dāng)前自己的狀態(tài)同步通過(guò)MISO 告訴單片機(jī)）； CE 引腳應(yīng)該在什么時(shí)候置0，什么時(shí)候置1 很關(guān)鍵，我們?cè)O(shè)計(jì)第一遍程序之所以失敗，就是沒(méi)有用好這個(gè)CE 信號(hào)；IRQ 信號(hào)是nRF24L01 當(dāng)滿足3 個(gè)條件中的某一個(gè)時(shí)送給單片機(jī)的提醒信號(hào)，在程序里只允許了1 個(gè)觸發(fā)條件，即接收到正確數(shù)據(jù)的時(shí)候nRF24L01 會(huì)把IRQ 置0，這個(gè)IRQ 信號(hào)需要單片機(jī)在執(zhí)行完對(duì)應(yīng)的操作后使用SPI 命令讓nRF24L01 重新置1，類似于MSP430 單片機(jī)P1 和P2 口中斷標(biāo)志的軟件清0。 四、 At89s52單片機(jī) At89s52單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，除ISP，RS232與AT89S52微處理機(jī)有專用連接外, 其余各模塊都是獨(dú)立的并有各自的訊號(hào)進(jìn)出口。具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容 、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器、 1000次擦寫(xiě)周期、 全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz 、 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 、 32個(gè)可編程I/O口線 、三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 八個(gè)中斷源 、全雙工UART串行通道、 低功耗空閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、看門(mén)狗定時(shí)器 、雙數(shù)據(jù)指針 、掉電標(biāo)識(shí)符。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的：為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)、家庭的自動(dòng)化控制，以取代線纜為目標(biāo)。 基本思路：利用2.4GHz的短距離無(wú)線傳輸技術(shù)來(lái)達(dá)到傳輸數(shù)據(jù)的目的，并且不受外來(lái)信號(hào)的干擾。 創(chuàng)新點(diǎn)：利用較前沿的技術(shù)達(dá)到目的。 技術(shù)關(guān)鍵：2.4GHz技術(shù)；無(wú)線控制；nRF24L01；At89s52單片機(jī)；無(wú)線模塊 主要技術(shù)指標(biāo)： 2.4GHz無(wú)線技術(shù)的傳輸距離可以達(dá)到10米，這就比27MHZ無(wú)線技術(shù)占有很大優(yōu)勢(shì)。所謂的2.4GHz所指的是一個(gè)工作頻段，2.4GHz ISM（Industry Science Medicine）是全世界公開(kāi)通用使用的無(wú)線頻段，藍(lán)牙技術(shù)即工作在這一頻段，在2.4GHz頻段下工作可以獲得更大的使用范圍和更強(qiáng)的抗干擾能力。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 2.4G技術(shù)是一種短距離無(wú)線傳輸技術(shù)，雙向傳播，抗干擾性強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，耗電少的優(yōu)點(diǎn)，而2.4G技術(shù)可以在10米距離內(nèi)接觸到電腦。2.4GHz無(wú)線射頻技術(shù)由于采用了專用的數(shù)據(jù)通道，并且搭載有跳頻技術(shù)和數(shù)據(jù)加密。從而減少了信號(hào)之間的干擾，保證了傳輸?shù)姆€(wěn)定性。 采用2.4GHz ISM頻段的技術(shù)，主要因?yàn)槠渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)： 采用集成無(wú)線電IC和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，從而大幅度地縮短了將這些技術(shù)集成到器件設(shè)計(jì)中所需的開(kāi)發(fā)時(shí)間。 寬度超過(guò)83MHz--遠(yuǎn)遠(yuǎn)寬于433MHz ISM頻段。這使得可以有更多的設(shè)備共享這一頻段且彼此之間沒(méi)有干擾。 首先便是成本。非聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無(wú)需采用大量的協(xié)議棧，這使得它們能夠采用更小、更廉價(jià)的微處理器。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是功耗。這直接影響到功耗并使設(shè)備具有較長(zhǎng)的電池使用壽命。 這些優(yōu)點(diǎn)表明：2.4GHz非聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將433MHz解決方案的低成本與藍(lán)牙技術(shù)的長(zhǎng)處結(jié)合在了一起，旨在實(shí)現(xiàn)健壯、輕型技術(shù)，以顯著地減少在給消費(fèi)電子設(shè)備增添無(wú)線功能時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間和成本。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 北京信息科技大學(xué)創(chuàng)新杯一等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 樣品、實(shí)物、現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 當(dāng)發(fā)出信號(hào)為1111時(shí)，接收器算加法器加1,即數(shù)碼顯示管左邊顯示01，以后每發(fā)出1111，顯示管加1，即為02,03,04……等數(shù)字；當(dāng)發(fā)出信號(hào)為2222時(shí)，接收器加2，即數(shù)碼顯示管右邊顯示02，同理，以后每發(fā)出2222信號(hào)，右邊顯示管就加2，即為04,06,08……等數(shù)字。 特點(diǎn)：1、傳輸距離遠(yuǎn)：可在大于180米開(kāi)闊地帶范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。 2、支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的多種傳輸模式 3、多個(gè)備選頻段，輕松避開(kāi)干擾頻率：該產(chǎn)品工作在2.4GHz的ISM頻段，有20個(gè)可選頻點(diǎn)；為避免在2.4GHz公共頻段上容易出現(xiàn)的干擾對(duì)信號(hào)的影響。 利用2.4GHz技術(shù)可在低數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)中提供極具成本效益的解決方案，從簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)連接到更大型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，在這些情況下，長(zhǎng)距離、穩(wěn)固的無(wú)線電鏈路和長(zhǎng)電池壽命是首先要考慮的問(wèn)題。更高的監(jiān)控輸出功率、衰減降低、頻率污染較少和窄帶操作提升了傳輸距離。更佳的電路效率、改進(jìn)的信號(hào)傳播和較小的內(nèi)存占地使整體功耗減少。
同類課題研究水平概述
- 未來(lái)的無(wú)線技術(shù) 1、藍(lán)牙2.0+EDR Bluetooth SIG宣布采用藍(lán)牙核心規(guī)范2.0版本及更高數(shù)據(jù)傳輸速率(EDR)。新規(guī)范使其數(shù)據(jù)傳輸速率提高2倍，并降低了功耗，從而延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。由于帶寬增加，新規(guī)范提高了設(shè)備同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)任務(wù)處理、或同時(shí)連接多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備的能力，并使傳輸范圍可達(dá)100米，最高速率達(dá)到10Mbps。 2、UWB： UWB采用超短周期脈沖進(jìn)行調(diào)制，把信號(hào)直接按照0或1發(fā)送出去，而不使用載波，這與此前的無(wú)線通信截然不同。而且脈沖調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)為超寬帶信號(hào)，譜密度極低，信號(hào)的中心頻率在650MHz～5GHz之間，平均功率為亞毫瓦量級(jí)，抗干擾和多徑的能力強(qiáng)，具有多個(gè)可利用信道。此外，UWB技術(shù)還具有高速率、低成本、低功耗的顯著特性。 3、ZigBee(IEEE 802.15.4)： ZigBee是主要用于近距離無(wú)線連接。數(shù)據(jù)傳輸速度不高，只有10kbit/秒～250kbit/秒，但該技術(shù)的目的在于降低收發(fā)電路的成本。此外，ZigBee使用的頻帶為2.4GHz和915MHz。而且該技術(shù)利用主終端/從終端這一原理，可實(shí)現(xiàn)雙向通信。有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。 4、RFID（Radio Frequency Identification） RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，作為條形碼的無(wú)線版本，RFID技術(shù)具有條形碼所不具備的防水、防磁、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量更大、存儲(chǔ)信息更改自如等優(yōu)點(diǎn)。 5、未來(lái)的WiFi――802.11n（IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)） 它將具備與802.11a/b/g的回溯相容性，并提供超過(guò)100 Mbps的資料傳輸率。802.11n的效能提升，主要來(lái)自于新型多重輸入/輸出無(wú)線電技術(shù)、更寬的射頻(RF)頻道、以及通訊協(xié)定堆疊的改良。MIMO技術(shù)藉由增加無(wú)線裝置中無(wú)線電以及天線的數(shù)目，提升資料傳輸率。IEEE預(yù)計(jì)于2006年中制定核準(zhǔn)802.11n的規(guī)格。 6、WiMAX 其中IEEE 802.16d，將在2～11 GHz之間的頻率范圍運(yùn)作(在美國(guó)將采用2.5 GHz、3.5 GHz、5.8 GHz三個(gè)頻帶)，在理想狀況下若無(wú)障礙物阻隔，50公里距離的最高資料傳輸率高達(dá)70 Mbps。
