隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與自動化技術(shù)的發(fā)展，照明控制技術(shù)有了很大的進(jìn)步，逐步進(jìn)入了智能控制時代。傳統(tǒng)智能照明控制系統(tǒng)采用總線方式，具有布線麻煩、增減設(shè)備需要重新布線、系統(tǒng)可擴(kuò)展性差、安裝和維護(hù)成本高以及移動性能差等缺點。智能照明控制系統(tǒng)在逐步進(jìn)人無線控制時代。文獻(xiàn)報道了在ZigBee傳感網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種新型的室內(nèi)智能照明控制系統(tǒng)，但實用的室內(nèi)照明控制器
隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與自動化技術(shù)的發(fā)展，照明控制技術(shù)有了很大的進(jìn)步，逐步進(jìn)入了智能控制時代。傳統(tǒng)智能照明控制系統(tǒng)采用總線方式，具有布線麻煩、增減設(shè)備需要重新布線、系統(tǒng)可擴(kuò)展性差、安裝和維護(hù)成本高以及移動性能差等缺點。智能照明控制系統(tǒng)在逐步進(jìn)人無線控制時代。文獻(xiàn)報道了在ZigBee傳感網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種新型的室內(nèi)智能照明控制系統(tǒng)，但實用的室內(nèi)照明控制器必須是低價位的，目前基于ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)芯片的價格，便宜的也在十幾元，這就使得開關(guān)結(jié)點的價格過高。
AMICCOM(笙科)公司于2008年推出的一款2．4 GHz無線收發(fā)芯片A7105，該芯片低價位的突出特點為其在無線短距離消費(fèi)市場贏得了巨大的優(yōu)勢。但與ZigBee系列的標(biāo)準(zhǔn)芯片相比，A7105的開發(fā)不具備標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，這使得其開發(fā)難度大大增加，這也是該芯片遲遲未能得到廣泛應(yīng)用的主要原因。本文采用經(jīng)過二次開發(fā)后的A7105無線收發(fā)模塊，設(shè)計了發(fā)送與接收端的軟硬件電路。發(fā)送端通過按鍵控制來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，接收端接收到信號后，控制LED的亮滅，實現(xiàn)了無線控制功能，為進(jìn)一步研究實用的室內(nèi)照明無線遙控系統(tǒng)奠定了良好基礎(chǔ)。
1 A7105及無線收發(fā)模塊
A7105內(nèi)含高靈敏度的接收器(1 Mbps@-93 dBm)，在10 m以內(nèi)的產(chǎn)品應(yīng)用中可大幅度減低RF的輸出功率(0～10 dBm)，以避免射頻產(chǎn)品對人體造成可能的損害，同時又能適應(yīng)50 m一般環(huán)境的應(yīng)用。A7105的所有參數(shù)可以通過SPI口配置內(nèi)部寄存器來進(jìn)行設(shè)置，最高的速率可達(dá)500 kb／s，適應(yīng)4線或3線的SPI控制。另外射頻數(shù)據(jù)的處理有2種模式可供選擇：FIFO(利用RF內(nèi)部的memory先儲存要發(fā)射／接收的數(shù)據(jù))和Direct(直接發(fā)射／接收)。A7105內(nèi)建RSSI，溫度傳感器，可以用來偵測環(huán)境對RF IC的影響，而且也內(nèi)建1路ADC，作為偵測電壓使用。
A7105芯片的具體特點如下：1)頻帶為2 400～2 483MHz(ISM頻帶)；2)FSK／GFSK調(diào)制；3)發(fā)射電流為19 mA(輸出0 dBm)；4)接收電流為16 mA；5)休眠電流<1 μA；6)內(nèi)置RA振蕩器；7)高靈敏度：-99 kb／s，-96 dBm@500kb／s；8)收發(fā)獨(dú)立的64字節(jié)FIFO。
本文使用的是經(jīng)過二次開發(fā)的以A7105為核心的無線收發(fā)模塊。該模塊集成了無線收發(fā)的基本元器件，A7105的SCS、SCK、SDI0、IO1、GPI02等管腳已預(yù)留接口，便于和微處理器相連。模塊上帶有PCB天線，如果想增大傳輸距離，也可以外置天線。該無線模塊采用直流電源，工作電壓為+3．3 V，最大工作電流不超過21 mA，電源可以和別的設(shè)備公用，但要注意電源的質(zhì)量和接地的可靠性。為防止靜電或強(qiáng)電擊穿，在系統(tǒng)設(shè)備中使用時，需要可靠的接地，接地的同時需與市電完全隔離。
2 室內(nèi)照明無線控制系統(tǒng)
室內(nèi)照明無線控制系統(tǒng)由1個主遙控器和多個無線遙控終端(無線開關(guān))組成。由于室內(nèi)距離較短，故系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。各個無線開關(guān)用于控制室內(nèi)各個照明燈具，在遙控器上有多個按鍵，用于控制室內(nèi)的無線開關(guān)，從而實現(xiàn)對照明燈具的無線控制。
在主遙控器和各個無線開關(guān)終端中，核心元件均為A7105模塊和AT89C2051單片機(jī)。在A7105模塊中，已將A7105芯片及其正常工作所需的基本硬件電路制作完好，并留出了與微處理器相連的接口，因此A7105模塊的推出為該芯片的應(yīng)用提供了很大的方便。AT89C2051單片機(jī)內(nèi)部有非易失性Flash存儲器。
這為無線開關(guān)終端始終保存自身的地址信息提供了便利，不需額外增加硬件地址電路，從而降低了系統(tǒng)的成本。
在遙控器(發(fā)射電路)上有多個按鍵，當(dāng)某個按鍵按下時，遙控器發(fā)送1個64位的地址信息。各個無線接收終端接收到該信息后，喚醒微處理器將接收到的地址信息與自身的地址進(jìn)行對比，若相同，則啟動繼電器控制開關(guān)進(jìn)行動作，同時將信息回饋給主控制器，以示接收成功；若不相同，節(jié)點則繼續(xù)進(jìn)入睡眠模式，等待下一次喚醒。
3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
在本系統(tǒng)中，采用AT89C2051的P1口管腳與A7105無線收發(fā)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。對于A7105無線收發(fā)芯片，其控制是通過SPI串行操作讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)的，SPI串行操作可以采用三線制或四線制。這里采用四線制，遙控器的電路如圖2所示，接收電路如圖3所示。在接收電路中，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)之后，通過P3．7的循環(huán)取反，實現(xiàn)對LED燈的亮滅控制。
由89C2051單片機(jī)的p1．0作為A7105模塊的片選信號，P1．1為模塊提供串行時鐘信號。P1．2與模塊的SDI引腳相連，負(fù)責(zé)地址信息由單片機(jī)輸出和進(jìn)行數(shù)據(jù)寫操作時的數(shù)據(jù)寫入A7105。P1．3管腳與模塊的GI01相連，當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀操作時，由P1．2送出8位地址信息，數(shù)據(jù)則通過GI01管腳被讀入單片機(jī)內(nèi)部。采用四線制，需要對A7105中的GPI0x的控制寄存器進(jìn)行設(shè)置，這里使用的GI01作為輸出管腳，因此需要將GPI01 Pin Control Register(地址位0Bh)中的GPI01S3～GPI01S0四個二進(jìn)制位設(shè)置為“0110”即可。四線制的SPI讀寫時序分別如圖4和圖5所示。
由于A7105的工作電壓范圍為1．9～3．6 V，AT89C2051的工作電壓范圍為2．7～6 V，所以在本實驗系統(tǒng)中，將其電壓統(tǒng)一為3 V，采用兩節(jié)5號電池供電。在以后的實驗中，可考慮采用低壓差電壓調(diào)節(jié)器LM1117。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
A7105無線收發(fā)芯片有兩種工作模式：FIFO(利用RF內(nèi)部的存儲器先儲存要發(fā)射／接收的數(shù)據(jù))和Direct(直接發(fā)射／接收)模式。不同的工作模式可以由初始化相應(yīng)的寄存器來設(shè)定。在本系統(tǒng)中，設(shè)置A7105工作在FIFO模式下，此時最大可以寫入64個字節(jié)的數(shù)據(jù)，這里設(shè)置8個字節(jié)(64 bit)的數(shù)據(jù)作為接收模塊的地址信息。
4．1 A7105的初始化
A7105芯片在上電之后，首先進(jìn)行的就是初始化，下面結(jié)合初始化程序進(jìn)行說明。
4．2 發(fā)射電路程序設(shè)計
發(fā)射電路在上電之后，首先對A7105無線收發(fā)模塊進(jìn)行初始化，之后進(jìn)入按鍵檢測狀態(tài)。若有按鍵按下，則進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)，之后進(jìn)入等待接收來自接收電路的反饋信號。在電路初始化時，已將A7105的GI01管腳設(shè)置為高電平，進(jìn)入等待接收數(shù)據(jù)后，如果有數(shù)據(jù)到來，則GI01管腳變?yōu)榈碗娖健．?dāng)數(shù)據(jù)到來時，將GPI01 Pin Control Register(地址位OBh)中的GI01I設(shè)置為1，可以讓GI01管腳輸出反向。發(fā)射電路的系統(tǒng)程序流程如圖6所示。
4．3 接收電路程序設(shè)計
在接收電路中，MCU首先初始化A7105模塊，和存儲64位的地址信息，然后進(jìn)入等待接收狀態(tài)。當(dāng)接收模塊接收到發(fā)送電路發(fā)來的數(shù)據(jù)后，與自己內(nèi)部儲存的64位的地址信息進(jìn)行對比，若相同，則發(fā)送確認(rèn)信息，并控制P3．7管腳輸出低電平，點亮LED，其主程序流程如圖7所示。
5 結(jié)論
該系統(tǒng)采用89C2051和A7105無線收發(fā)模塊，實現(xiàn)了LED的無線遙控，為進(jìn)一步研究室內(nèi)照明無線遙控系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)然，本系統(tǒng)電路和實際使用的無線遙控系統(tǒng)還有一定差距，主要表現(xiàn)在以下三點：1)實用的室內(nèi)無線照明系統(tǒng)的接收模塊是通過繼電器去控制220 V的交流電，本系統(tǒng)中僅以一個LED來模擬；2)實際中有多個無線接收模塊，因此在主控制器中也應(yīng)該有多個按鍵；3)本系統(tǒng)尚未考慮節(jié)能的問題。如果采用電池供電，必須考慮節(jié)能的問題，在沒有數(shù)據(jù)傳輸時，均應(yīng)考慮讓單片機(jī)和無線收發(fā)模塊進(jìn)入體眠模式。如果能從220 V交流電中獲取能量，則可以不考慮能量的問題，但會使得設(shè)計成本增加。
本系統(tǒng)的突出優(yōu)點在于價格低，A7105無線收發(fā)模塊批量購買，每片不足5元，AT89C2051單片機(jī)1元左右。若設(shè)計成實用的產(chǎn)品，則需增加繼電器，目前普通繼電器例如MK2P(JTX-2C)在5元左右，若批量購買，價格會更低。另需按鍵和外殼等，最終成本可以控制在15元以內(nèi)。因此，若本系統(tǒng)能夠成功應(yīng)用于室內(nèi)照明無線遙控，則出售價格會非常低，普通百姓能夠承擔(dān)得起，在國內(nèi)將會擁有廣闊的市場。 |
