基本信息
- 项目名称：
- 基于2.4GHz的无线控制系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 为了实现工业、家庭的自动化控制，以取代线缆为目标，我们的项目组选择了2.4GHz（2.4～2.483GHz）ISM 频段用于无线个人区域网范围的短距离无线通信技术标准进行该项目实验，2.4G技术使用的是自动调频技术，通过MCS-51单片机的控制2.4GM模块实现双向通信。
- 详细介绍：
- 一、2.4G无线技术的特点 而且2.4G无线技术不同于之前的27MHz无线技术，它的工作方式是全双工模式传输，在抗干扰性能上要比27MHz有着绝对的优势。这个优势决定了它的超强抗干扰性以及最大可达10米的传输距离。此外2.4G无线技术还拥有理论上2M的数据传输速率，比蓝牙的1M理论传输速率提高了一倍。这就为以后的应用层提高了可靠的保障。 二、 基于2.4GHz的无线控制系统原理 （1）发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADD和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便在次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。 （2）接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RX FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。 （3）配置字 SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10 Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。但针对单个字节而言，要先送高位再送低位。与SPI相关的指令共有8个，使用时这些控制指令由nRF24L01的MOSI输入。相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI口访问。 三、 nRF24L01的配置及其工作模式 首先nRF24L01 与单片机进行的是SPI 通信，有两种方式可供选择：直接使用单片机的USCI 接口，让其工作于SPI 模式；使用单片机的引脚进行模拟SPI 通信。因为对于SPI工作模式较为熟悉，因此我们在这里选择了后者。 另外nRF24L01 的通信方式有2 种：Enhanced ShockBurstTM和ShockBurstTM，前者有自动应答机制，感觉应该适合用在无线鼠标、无线键盘等场合，而后者兼容nRF2401A，nRF24E1，nRF2402 及nRF24E2 的空中通信接口，而且nRF24L01 在项目中的主要应用是有源电子标签及其读卡器，因此考虑使用ShockBurstTM通信方式。 此外nRF24L01 有4 种工作模式：分别是Power Down Mode，Standby Modes，RX Mode，TX Mode；控制芯片工作的信号引脚有6 条：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，不注意到这点，很容易出错； 单片机和nRF24L01 不进行SPI 通信的时候，单片机要让CSN 引脚为高电平1，进行SPI 通信的时候，nRF24L01 作为SPI 的从设备，单片机作为SPI 通信的主设备，通信总是从单片机控制CSN 引脚的电位从1 变为0 开始，然后是单片机通过MOSI 给出的SPI 命令，如果还有数据则可以跟上数据，最后以CSN 变为1 结束本次SPI 通信，当然如果通过MOSI 给出的SPI命令是读取命令，则nRF24L01 的应答从MISO 引脚返回（当然每次有SPI 命令时，nRF24L01 都会把当前自己的状态同步通过MISO 告诉单片机）； CE 引脚应该在什么时候置0，什么时候置1 很关键，我们设计第一遍程序之所以失败，就是没有用好这个CE 信号；IRQ 信号是nRF24L01 当满足3 个条件中的某一个时送给单片机的提醒信号，在程序里只允许了1 个触发条件，即接收到正确数据的时候nRF24L01 会把IRQ 置0，这个IRQ 信号需要单片机在执行完对应的操作后使用SPI 命令让nRF24L01 重新置1，类似于MSP430 单片机P1 和P2 口中断标志的软件清0。 四、 At89s52单片机 At89s52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，除ISP，RS232与AT89S52微处理机有专用连接外, 其余各模块都是独立的并有各自的讯号进出口。具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。与MCS-51单片机产品兼容 、8K字节在系统可编程Flash存储器、 1000次擦写周期、 全静态操作：0Hz～33Hz 、 三级加密程序存储器 、 32个可编程I/O口线 、三个16位定时器/计数器 八个中断源 、全双工UART串行通道、 低功耗空闲和掉电模式 、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针 、掉电标识符。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：为了实现工业、家庭的自动化控制，以取代线缆为目标。 基本思路：利用2.4GHz的短距离无线传输技术来达到传输数据的目的，并且不受外来信号的干扰。 创新点：利用较前沿的技术达到目的。 技术关键：2.4GHz技术；无线控制；nRF24L01；At89s52单片机；无线模块 主要技术指标： 2.4GHz无线技术的传输距离可以达到10米，这就比27MHZ无线技术占有很大优势。所谓的2.4GHz所指的是一个工作频段，2.4GHz ISM（Industry Science Medicine）是全世界公开通用使用的无线频段，蓝牙技术即工作在这一频段，在2.4GHz频段下工作可以获得更大的使用范围和更强的抗干扰能力。
科学性、先进性
- 2.4G技术是一种短距离无线传输技术，双向传播，抗干扰性强，传输距离远，耗电少的优点，而2.4G技术可以在10米距离内接触到电脑。2.4GHz无线射频技术由于采用了专用的数据通道，并且搭载有跳频技术和数据加密。从而减少了信号之间的干扰，保证了传输的稳定性。 采用2.4GHz ISM频段的技术，主要因为其具有以下优点： 采用集成无线电IC和标准协议，从而大幅度地缩短了将这些技术集成到器件设计中所需的开发时间。 宽度超过83MHz--远远宽于433MHz ISM频段。这使得可以有更多的设备共享这一频段且彼此之间没有干扰。 首先便是成本。非联网技术无需采用大量的协议栈，这使得它们能够采用更小、更廉价的微处理器。另一个优点是功耗。这直接影响到功耗并使设备具有较长的电池使用寿命。 这些优点表明：2.4GHz非联网技术将433MHz解决方案的低成本与蓝牙技术的长处结合在了一起，旨在实现健壮、轻型技术，以显著地减少在给消费电子设备增添无线功能时所花费的时间和成本。
获奖情况及鉴定结果
- 北京信息科技大学创新杯一等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 样品、实物、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 当发出信号为1111时，接收器算加法器加1,即数码显示管左边显示01，以后每发出1111，显示管加1，即为02,03,04……等数字；当发出信号为2222时，接收器加2，即数码显示管右边显示02，同理，以后每发出2222信号，右边显示管就加2，即为04,06,08……等数字。 特点：1、传输距离远：可在大于180米开阔地带范围内传输数据。 2、支持点对点和点对多点的多种传输模式 3、多个备选频段，轻松避开干扰频率：该产品工作在2.4GHz的ISM频段，有20个可选频点；为避免在2.4GHz公共频段上容易出现的干扰对信号的影响。 利用2.4GHz技术可在低数据速率系统中提供极具成本效益的解决方案，从简单的点到点连接到更大型的网状网络，在这些情况下，长距离、稳固的无线电链路和长电池寿命是首先要考虑的问题。更高的监控输出功率、衰减降低、频率污染较少和窄带操作提升了传输距离。更佳的电路效率、改进的信号传播和较小的内存占地使整体功耗减少。
同类课题研究水平概述
- 未来的无线技术 1、蓝牙2.0+EDR Bluetooth SIG宣布采用蓝牙核心规范2.0版本及更高数据传输速率(EDR)。新规范使其数据传输速率提高2倍，并降低了功耗，从而延长电池的使用时间。由于带宽增加，新规范提高了设备同时进行多项任务处理、或同时连接多个蓝牙设备的能力，并使传输范围可达100米，最高速率达到10Mbps。 2、UWB： UWB采用超短周期脉冲进行调制，把信号直接按照0或1发送出去，而不使用载波，这与此前的无线通信截然不同。而且脉冲调制产生的信号为超宽带信号，谱密度极低，信号的中心频率在650MHz～5GHz之间，平均功率为亚毫瓦量级，抗干扰和多径的能力强，具有多个可利用信道。此外，UWB技术还具有高速率、低成本、低功耗的显著特性。 3、ZigBee(IEEE 802.15.4)： ZigBee是主要用于近距离无线连接。数据传输速度不高，只有10kbit/秒～250kbit/秒，但该技术的目的在于降低收发电路的成本。此外，ZigBee使用的频带为2.4GHz和915MHz。而且该技术利用主终端/从终端这一原理，可实现双向通信。有很高的数据传输速率。 4、RFID（Radio Frequency Identification） RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。 5、未来的WiFi――802.11n（IEEE 802.11n标准） 它将具备与802.11a/b/g的回溯相容性，并提供超过100 Mbps的资料传输率。802.11n的效能提升，主要来自于新型多重输入/输出无线电技术、更宽的射频(RF)频道、以及通讯协定堆叠的改良。MIMO技术藉由增加无线装置中无线电以及天线的数目，提升资料传输率。IEEE预计于2006年中制定核准802.11n的规格。 6、WiMAX 其中IEEE 802.16d，将在2～11 GHz之间的频率范围运作(在美国将采用2.5 GHz、3.5 GHz、5.8 GHz三个频带)，在理想状况下若无障碍物阻隔，50公里距离的最高资料传输率高达70 Mbps。
