一汽马自达车主俱乐部基于2.4G智能家居系统的设计与实现
东邪西毒2011 程明 尚浩
(郑州大学 信息工程学院 郑州 450001)
摘要：随着科技迅猛发展，无线通信技术不断发展和成熟，2.4G无线技术在人们日常生活中发挥着重要的作用。因此为了提高一般的红外遥控器与机顶盒之间数据传输过程安全性和抗干扰性，本文设计了一种新型的遥控器。该设计采用2.4GHz无线收发模块和轨迹球模块实现。 关键字： 2.4G无线技术; 轨迹球; nRF24LE1; nRF24LU1+
Design and Implementation of 2.4GHz wireless remote controller
Ming Cheng Hao Shang
(zhengzhou university information and engineering college zhengzhou 450001 )
台州市实验中学Abstract: With the rapid development of science and technology , wireless communication technologies continue to develop and mature , 2.4G wireless technology plays an important role in people's daily lives . Therefore, in order to improve the general security and anti-jamming of the data transfer process between the infrared remote control and set-top boxes, this paper designs a new type of remote control . The design uses the 2.4GHz wireless transceiver modules and the trackball module .
Key words: 2.4G wireless technology; trackball; nRF24LE1; nRF24LU1+
一．引言
无线通信技术的快速发展，满足了人们日常生活需要的同时，也使得用户对其提出更高的要求，希望拥有一个适用于大部分家用电器，手持终端设备的存在，不但能够节省来回切换手持终端的时间，还能够在便捷的同时带来
国内目前在机顶盒研发过程中，考虑到用户对机顶盒的娱乐性和多功能性提出了较高要求。在研发过程中把现在市场和人气很火爆的安卓系统移植到机顶盒上，有了丰富的应用 程序资源。一般的红外的遥控器已经达不到使用要求，因此也催生出一种新型遥控器的出现。本设计不但采用2.4G无线
技术还加入轨迹球模块，使用户能够更好地
人机交互操作。
二．原理分析
2.1 2.4GHz无线模块的简介
目前用于2.GHz无线通信的通用芯片常见的有挪威Nordic公司nRF24LE1无线芯片模组，以列RFWave公司的RFW102无线芯片模组等，根据设计需求及成本估算，本设计采用nRF24LE1和nRF24LU1+进行数据直接传输和处理。 nRF24LE1用作遥控器的主控芯片，其内部有两个部分：增强型的8051MCU和内嵌2.4G低功耗无线收发内核nRF24L01P，
空中速率有三个选择:250 kbps, 1 Mbps，2 Mbps，保证数据的空中快速传输。两者之间通
过SPI接口进行通信。还拥有丰富的外设资源，尤其是内置128 bit AES硬件加
密器，可对任何无线传输的数据进行高强度的加密，确保无线数据的安全，特别满足RFID对高安全性的要求。CPU的工作模式可以通过开关状态寄存器的控制位来控制，当工作在发射模式下发射功率为-6dBm，电流消耗为9mA，接收模式时为12.3mA，该特性为设计低功耗系统提供了先天性条件。
nRF24LU1+芯片内部结构和nRF24LE1基本一致，考虑到成本的计算，采用nRF24LU1+符合全速USB 2．0标准的器件控制器。
2.2 轨迹球模块介绍
选用恒泰电子TB-10，该型号采用的无接触式磁感应采集数据方式，在模块的周围分别布局四个磁环，当中间的球体转动就会引起至少一个方向的磁环的滚动，产生霍尔效应，用高精度的霍尔锁存器S732记录变化的值。因此，手指在导航键上移动即可像使用手机上轨迹球一样随意操作，屏幕上可实现菜单控制操作。
2.3 工作原理和过程
基于2.4GHz的无线遥控器，除了完成正常的键值编码和发射外，还要实现鼠标功能。
键盘采用的是7*8行列键盘编码，这也是目前市面上常用的形式。首先对每个按键进行自定义，由于按键值不同，传送到遥控器芯片的值也不相同，nRF24LE1芯片启动发射模式传送到与机顶盒连接的接收端芯片nRF24LU1+，按照HID协议中的键盘，对数据打包通过USB接口传送到机顶盒。
鼠标功能类似空中鼠标，采用空中定位技术实现。此方案中鼠标定位采用轨迹球模块实现。轨迹球模块将球体坐标位置变化信息发送至遥控器主芯片nRF24LE1，根据所编写程序对接收到的信息进行处理。整个系统架构如图1所示：
图1 系统框图
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三．硬件设计
硬件部分包含两个部分，以nRF24LE1为主控芯片的遥控器发射端和以nRF24LU1+为主控芯片连接机顶盒的接收端。
3.1 遥控器发射端设计：
该遥控器具有学习功能，所以是一种学习型遥控器。在遥控器端学习区划分了五个按键。分别是：学习、频道+、频道-、音量+和音量-，通过触按学习键作为学习功能的开启，把学习到的学习码存放到硬件电路设计的EEPROM中。 遥控器天线是由电感L1、L2、L3和电容C7、C8组成。具体的参数值是由根据所要接受到2.405GHz~2.485GHz无线频段匹配所得到的，滤除不需要的频率并保留需要的频段。
AT24C16芯片通过SPI接口连接到主控芯片中，存放学习到的学习码，控制电视机
的常用功能，减少使用遥控器的频繁切换带来的不便。轨迹球中四个磁环分别对应高精度霍尔锁存器S732，这四个霍尔锁存器输出端分别与P0.1、P0.3、P0.4、P2.2四个I/O
图2 发射端原理图
口连接，实现上、下、左、右4个方向变化量的数值传送到MCU中。P2.6和轨迹球中间按键连接，响应时相当于确定按键。在芯片的外设电路中配置有JTAG、ISP和UART接口，方便程序的下载和调试。
电源的供电部分，遥控器大部分采用的是电池的供电，因此需要对电池使用寿命和能量利用率达到最优化。LP2951功能适用于电池用作供电源时有保护和电池检测，是个高效率低
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电流的转换芯片，SHTDN是待机功能，ERR是输入电压不够时的报警输出功能，提醒用户及时更换电池。
3.2 接收端设计:
接收端采用的芯片nRF24LU1+内嵌USB功能模块，只需在外围提供四个接口即可实现其功能。接收端天线由电容和电感匹配，功能包括对信号的选频和谐振，对不需要的信号频率滤波，使接收到的数据信号和发射端的达到完全相同。电容和电感的参数配置根据运算得出。电路如图3所示：
图3 接收端原理图
四、软件部分设计
软件实现包含红外学习过程和2.4GHz信号发射和接受两部分。
4.1 红外学习过程
首先要确定被学习遥控器的学习按键，本设计主要是学习的按键有：频道+、频道-、音量+和音量-和电源这五个按键。根据软件编程的要求，确定2.4G遥控器触发学习按键的时间，然后按照下面流程图，对要学习的按键进行学习并存储学习码。学习流程如图4所示：
图4 学习过程流程图
4.2 2.4GHz信号发射和接收过程
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遥控器端按照Gazell协议和HID协议对数据打包，打包后的数据被USB接口认定为键盘数据和鼠标数据。
这些数据包通过遥控器端天线对外发射，nRF24LE1内部有自动重发功能。自动重发功能是针对自动应答系统的发送发，SETUP_RETR寄存器设置启动重发数据的时间长度。在每次发送结束后，系统都会进入接收模式并在设定的时间范围内等待应答信号。接收到应答信号后，系统装入正常发送模式。如果没有收到确认信号，则系统返回到发送模式直到收到确认信号或者重发次数超过设定值（达到最大的重发次数）。发射端流程如图5所示：
接收端要对接收到的数据包进行分数据包识别（PID）和CRC校验。每一个数据包都包含两位的PID来识别接收的数据时新数据包还是重发的数据包。
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