作者：吳釗炯  張瑩  劉新朝

    1  概述

    在短距離的通信中，無線技術被普遍看好，其中射頻技術因為功耗低和無方向性等優點而受到青睞。

    通信頻率為2.4GHz的頻段是全球開放的ISM(工業、科學和醫學)頻段，使用者無需申請許可證，給開發者和用戶帶來了很大方便；同時，可以有效地避免低頻段信號、各類電火花及家用電器的干擾。因為這一頻段具有這些優點，其他的一些應用，如藍牙、WLAN，也是在這一頻段；但藍牙和WLAN對于工業控制、醫療傳感器、住宅和樓宇自動化裝置等設備來說，過于復雜，其成本也過高，很難滿足快速開發和低成本的要求。因此，目前迫切需要一種低成本、低功耗、能夠快速開發應用的方案，來實現設備的無線連接。

    另一方面，經過多年的發展，TCP/ip協議已經成為目前被廣泛應用于Internet的通信協議。在嵌入式系統中實現TCP／IP協議棧，利用Internet進行遠程數據傳送，可以實現對遠端設備運行狀態的監視和控制。

    在嵌入式TCP/IP平臺下利用工作頻率為2.4GHz的無線收發模塊nRF24E1，進行短距離的點對多點的無線通信；用無線技術解決最后10m的通信問題，可實現一種無線接入的解決方案。

    2  nRF24E1及其通信協議

    2.1nRF24E1模塊的基本特性

    nRF24E1是北歐集成電路公司(Nordic)推出的一款帶8051內核的無線收發模塊，內部結構如圖1所示。該模塊的無線收發器工作于2.4GHz的ISM頻段，有多達125個的頻點，可通過改頻和跳頻來避免干擾。nRF24E1的集成度非常高，內部集成了增強型8051內核,2.4GHz無線收發器,100ksps的9路10位模數轉換器，UART接口，SPI接口，PWM輸出，內置RC振蕩器、看門狗和喚醒定時器以及專門的穩壓電路。所有高頻元件包括電感、振蕩器等，全部集成在芯片內部，因此芯片的性能穩定，受外界環境的影響很小。

    nRF24E1采用36腳QFN(6mm×6mm)封裝，最大傳輸速率可達1Mb/s，靈敏度為一90 dBm，最大發射功率為O dBm；在較為理想的環境中，室內傳輸距離可達30～40 m，室外傳輸距離可達100～200 m；其工作電壓為1.9～3.3 V，工作溫度范圍為一40～+80℃。

    2.2nRF24E1之間的通信協議

    nRF24E1的無線數據包格式為

    其中，PReamble是前導碼，是硬件自動加上去的；ADDR是發送的地址，為32～40位；PAYLOAD是有效數據；CRC是CRC校驗和，由內置CRC糾檢錯硬件電路自動加上，可設為O、8或16位。ADDR、PAYLOAD和CRC的總長度最大為256位，因此，設置較短的地址和校驗和能提高傳輸效率，但也使得可靠性降低。

    nRF24E1通過軟件設置收發模式、收發頻率、接收地址、發射功率、CRC校驗和的長度、有效數據的長度等。無線收發器有2個頻道：頻道1可以接收和發送；頻道2只能接收，且頻道2的接收頻率總比頻道1高8MHz；同時，每個芯片可以設置2個地址。收發頻率和地址隨時都可以通過軟件更改，實現改頻和跳頻；但是，必須通過通信協議解決好，一致的頻率和正確的地址才是數據傳送的前提。只有地址符合且校驗和正確的包，才能被進一步處理；若有一項不正確，整個數據包就被硬件自動丟棄。若地址與校驗和相符，則由硬件產生中斷DRl或DR2，8051才能將數據接收到緩沖區。

    在同一時刻，nRF24E1只能處于接收或發送模式中的一種。一般以接收模式為待機狀態。

    3  無線接入解決方案

    系統的解決方案示意圖如圖2所示。

    nRF24E1主機是無線系統的要害部分。它不但作為接入點，負責與嵌入式TCP/IP模塊交換數據，同時也負責與其他無線模塊通信。

    為實現Internet網絡互聯，使用以太網控制芯片RTL8019AS，并將TCP/IP協議棧嵌入在ATmegal28的內部。除此之外，ATmegal28內部還實現了一個小型通用的WebServer，而遠端的PC就作為客戶端。

    數據的傳送過程是遠端PC通過Internet發送數據，由RTL8019AS接收數據包，再由ATmegal28對TCP/lP數據包進行處理，得到PC發送的信息，AT-megal28再將數據通過SPI接口傳送到nRF24E1主機。nRF24E1主機根據內部協議又將數據傳給相應的nRF24E1從機，再由nRF24E1從機對各自的設備進行通信或控制。nRF24E1從機給遠端PC傳送數據為反向的過程。

    4  接入系統的控制及其實現

    4．1無線系統的控制方法

    將所有的nRF24E1模塊都設置為同一頻率，通過設置不同的地址來區分各個無線模塊。為了避免多個從機同時給主機發送數據產生沖突，主機不但要作為接入點，同時要控制整個無線系統，避免沖突。

    系統采用主機輪詢，從機應答的方法，即主機按照一定的規則，給從機發送一個答應從機發送數據的標志。該標志相當于一個令牌，從機若有數據發送，得到令牌后，可在令牌的有效時間內連續地發送多幀數據。當然，也可以設置只能發送1幀數據，數據發送完畢后必須有一個結束的信號END標志；假如從機沒有數據發送，也必須給主機返回END標志，從機的回應可以讓主機判定與該從機的通信鏈路是否正常。

    主機對無線系統的控制主要是通過令牌來實現的，因此主機對從機的令牌是否有效的判定是其中的要害，而且必須考慮足夠的容錯性能。可以通過兩個方法來判定和控制令牌的有效時間：一是從機收到令牌到返回END標志的時間內令牌為有效，而主機根據從機返回的END標志即可判定該從機的令牌已經失效；二是規定令牌的最大有效時間，從機收到令牌后開始計時，達到規定的最大時間后，令牌自動失效，主機也通過計時來判定從機的令牌是否失效。這兩個方法同時起作用。第一個方法可以提高系統效率，避免在空閑的鏈路上消耗過多的時間，使系統的品質得到提高；而設置最大時間是為了限制一個從機占用通信鏈路的時間，也可以防止丟失END標志甚至通信鏈路不正常所產生的錯誤，盡量減少不正常的鏈路對系統其他部分的影響。

    當然，主機不僅可以采用輪詢的方法，也可以根據各個從機的通信優先級不同來分配令牌，而且每個從機令牌的最大有效時間也可以不一樣。從機必須在令牌的有效時間內才能給主機發送數據，每一時刻只有一個從機的令牌有效，以避免沖突。主機要發送數據，必須先查詢從機的令牌是否有效。若令牌有效，還必須等從機的END標志到來后，或者時間超過了令牌的最大有效時間，且這時所有從機的令牌都見效，主機才可以發送數據。

    4.2系統的實現

    nRF24E1主機不但要與ATmegal28通信，還要與其他nRF24E1從機通信；同時，還要控制整個無線系統。因此，nRF24E1主機是整個無線接人系統的要害，它能否高效地運行，關系到整個系統的效率。

    圖3所示為。nRF24E1主機在正常情況下的運行流程。主機在令牌發出去以后，就只能處于無線接收的狀態，直到從機的令牌無效后才能進行與ATmegal28的通信或者給從機發送數據。

    nRF24E1從機的通信任務要簡單得多，另外還有各自的應用?？梢杂胣RF24E1的I/O端口直接控制設備，也可以連接其他MCU實現其他功能。

    由于nRF24E1內置了增強型8051控制器，使nRF24E1成為一種集無線數據接收和發送于一體，以及對數據進行處理的片上系統(SoC)，并且有模擬輸入和PWM輸出，因此，不但可以作為無線接口實現無線數據傳送，在一些較為簡單的控制系統中，可以用它作為控制核心，無需另接MCU。這使得nRF24E1的應用系統更為簡化，大大增強了無線系統的穩定性和可靠性；同時，也使得開發變得簡單，成本進一步降低。

    在一些較為復雜的系統中，由于nRF24E1的端口有限，只有256字節的RAM空間，805l的處理能力也不是很強。在這樣的系統中，可通過連接功能更為強大的MCU，讓MCU進行處理。應用中，采用了ATmegal28，而nRF24E1只作為無線通信的接口，將數據通過UART或SPI接口傳送到Atmegal28，讓Atmegal28進行較為復雜的運算和處理。

    圖4為ATmegal28與nRF24E1的SPI接口電路圖。nRF24E1為SPI的主機，ATmegal28為從機。通過SPI接口可使nRF24El與ATmegal28的最大通信速率達到2Mbps，因此，傳輸的速度可以滿足大多數場合的應用。

    本系統可以應用于數據采集系統、信息家電的無線通信接口、住宅和樓宇自動化裝置以及工業自動化的無線連接等場合。上述方案已經在數據采集系統上得到應用，很方便地實現了設備間的無線連接；而且對原有模塊的改動很少，開發時間較短，系統的穩定性很好。

    結語

    藍牙工作在2．4GHz頻段，但由于其芯片的成本一直居高不下，產品很難開發，因此到目前為止，藍牙的產品還是很少。另外，市場尚未出現非藍牙不可的應用需求，藍牙的一些市場定位能夠輕易地被其他更專業的產品所取代。nRF24E1就是以較低的價格和較輕易應用開 發等優勢來代替一些領域的藍牙應用，為一些只需要簡單 的無線連接的應用領域，提供一種低成本、低功耗、能夠快 速開發應用的方案，以實現無線連接。另外，在嵌入式系 統中實現TCP/IP協議棧，利用Internet進行數據的遠程 傳送；而在本地端采用嵌入式的2.4 GHz無線接入技術， 將這兩者結合起來，具有一定的先進性和廣闊的應用前景。