基本信息
- 項目名稱：
- 基于2.4GHz的無線控制系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 為了實現(xiàn)工業(yè)、家庭的自動化控制，以取代線纜為目標，我們的項目組選擇了2.4GHz（2.4～2.483GHz）ISM 頻段用于無線個人區(qū)域網(wǎng)范圍的短距離無線通信技術(shù)標準進行該項目實驗，2.4G技術(shù)使用的是自動調(diào)頻技術(shù)，通過MCS-51單片機的控制2.4GM模塊實現(xiàn)雙向通信。
- 詳細介紹：
- 一、2.4G無線技術(shù)的特點 而且2.4G無線技術(shù)不同于之前的27MHz無線技術(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有著絕對的優(yōu)勢。這個優(yōu)勢決定了它的超強抗干擾性以及最大可達10米的傳輸距離。此外2.4G無線技術(shù)還擁有理論上2M的數(shù)據(jù)傳輸速率，比藍牙的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的無線控制系統(tǒng)原理 （1）發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將nRF24L01配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點地址TX_ADD和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時寫入一次即可，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);若自動應(yīng)答開啟，那么nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進入接收模式，接收應(yīng)答信號（自動應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點地址TX_ADDR一致）。如果收到應(yīng)答，則認為此次通信成功，TX_DS置高，同時TX_PLD從TX FIFO中清除;若未收到應(yīng)答，則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動重發(fā)已開啟)，若重發(fā)次數(shù)(ARC)達到上限，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，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU。最后發(fā)射成功時,若CE為低則nRF24L01進入空閑模式1;若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進入下一次發(fā)射;若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且CE為高，則進入空閑模式2。 （2）接收數(shù)據(jù)時,首先將nRF24L01配置為接收模式，接著延遲130μs進入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當接收方檢測到有效的地址和CRC時，就將數(shù)據(jù)包存儲在RX FIFO中，同時中斷標志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU去取數(shù)據(jù)。若此時自動應(yīng)答開啟，接收方則同時進入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號。最后接收成功時，若CE變低，則nRF24L01進入空閑模式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，傳輸時先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。但針對單個字節(jié)而言，要先送高位再送低位。與SPI相關(guān)的指令共有8個，使用時這些控制指令由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SPI口訪問。 三、 nRF24L01的配置及其工作模式 首先nRF24L01 與單片機進行的是SPI 通信，有兩種方式可供選擇：直接使用單片機的USCI 接口，讓其工作于SPI 模式；使用單片機的引腳進行模擬SPI 通信。因為對于SPI工作模式較為熟悉，因此我們在這里選擇了后者。 另外nRF24L01 的通信方式有2 種：Enhanced ShockBurstTM和ShockBurstTM，前者有自動應(yīng)答機制，感覺應(yīng)該適合用在無線鼠標、無線鍵盤等場合，而后者兼容nRF2401A，nRF24E1，nRF2402 及nRF24E2 的空中通信接口，而且nRF24L01 在項目中的主要應(yīng)用是有源電子標簽及其讀卡器，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，很容易出錯； 單片機和nRF24L01 不進行SPI 通信的時候，單片機要讓CSN 引腳為高電平1，進行SPI 通信的時候，nRF24L01 作為SPI 的從設(shè)備，單片機作為SPI 通信的主設(shè)備，通信總是從單片機控制CSN 引腳的電位從1 變?yōu)? 開始，然后是單片機通過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，當然如果通過MOSI 給出的SPI命令是讀取命令，則nRF24L01 的應(yīng)答從MISO 引腳返回（當然每次有SPI 命令時，nRF24L01 都會把當前自己的狀態(tài)同步通過MISO 告訴單片機）； CE 引腳應(yīng)該在什么時候置0，什么時候置1 很關(guān)鍵，我們設(shè)計第一遍程序之所以失敗，就是沒有用好這個CE 信號；IRQ 信號是nRF24L01 當滿足3 個條件中的某一個時送給單片機的提醒信號，在程序里只允許了1 個觸發(fā)條件，即接收到正確數(shù)據(jù)的時候nRF24L01 會把IRQ 置0，這個IRQ 信號需要單片機在執(zhí)行完對應(yīng)的操作后使用SPI 命令讓nRF24L01 重新置1，類似于MSP430 單片機P1 和P2 口中斷標志的軟件清0。 四、 At89s52單片機 At89s52單片機是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，除ISP，RS232與AT89S52微處理機有專用連接外, 其余各模塊都是獨立的并有各自的訊號進出口。具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容 、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、 1000次擦寫周期、 全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz 、 三級加密程序存儲器 、 32個可編程I/O口線 、三個16位定時器/計數(shù)器 八個中斷源 、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 、看門狗定時器 、雙數(shù)據(jù)指針 、掉電標識符。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 目的：為了實現(xiàn)工業(yè)、家庭的自動化控制，以取代線纜為目標。 基本思路：利用2.4GHz的短距離無線傳輸技術(shù)來達到傳輸數(shù)據(jù)的目的，并且不受外來信號的干擾。 創(chuàng)新點：利用較前沿的技術(shù)達到目的。 技術(shù)關(guān)鍵：2.4GHz技術(shù)；無線控制；nRF24L01；At89s52單片機；無線模塊 主要技術(shù)指標： 2.4GHz無線技術(shù)的傳輸距離可以達到10米，這就比27MHZ無線技術(shù)占有很大優(yōu)勢。所謂的2.4GHz所指的是一個工作頻段，2.4GHz ISM（Industry Science Medicine）是全世界公開通用使用的無線頻段，藍牙技術(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的抗干擾能力。
科學性、先進性
- 2.4G技術(shù)是一種短距離無線傳輸技術(shù)，雙向傳播，抗干擾性強，傳輸距離遠，耗電少的優(yōu)點，而2.4G技術(shù)可以在10米距離內(nèi)接觸到電腦。2.4GHz無線射頻技術(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)，主要因為其具有以下優(yōu)點： 采用集成無線電IC和標準協(xié)議，從而大幅度地縮短了將這些技術(shù)集成到器件設(shè)計中所需的開發(fā)時間。 寬度超過83MHz--遠遠寬于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有干擾。 首先便是成本。非聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無需采用大量的協(xié)議棧，這使得它們能夠采用更小、更廉價的微處理器。另一個優(yōu)點是功耗。這直接影響到功耗并使設(shè)備具有較長的電池使用壽命。 這些優(yōu)點表明：2.4GHz非聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將433MHz解決方案的低成本與藍牙技術(shù)的長處結(jié)合在了一起，旨在實現(xiàn)健壯、輕型技術(shù)，以顯著地減少在給消費電子設(shè)備增添無線功能時所花費的時間和成本。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 北京信息科技大學創(chuàng)新杯一等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 樣品、實物、現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 當發(fā)出信號為1111時，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；當發(fā)出信號為2222時，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，右邊顯示管就加2，即為04,06,08……等數(shù)字。 特點：1、傳輸距離遠：可在大于180米開闊地帶范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。 2、支持點對點和點對多點的多種傳輸模式 3、多個備選頻段，輕松避開干擾頻率：該產(chǎn)品工作在2.4GHz的ISM頻段，有20個可選頻點；為避免在2.4GHz公共頻段上容易出現(xiàn)的干擾對信號的影響。 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，從簡單的點到點連接到更大型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，在這些情況下，長距離、穩(wěn)固的無線電鏈路和長電池壽命是首先要考慮的問題。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、改進的信號傳播和較小的內(nèi)存占地使整體功耗減少。
同類課題研究水平概述
- 未來的無線技術(shù) 1、藍牙2.0+EDR Bluetooth SIG宣布采用藍牙核心規(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，從而延長電池的使用時間。由于帶寬增加，新規(guī)范提高了設(shè)備同時進行多項任務(wù)處理、或同時連接多個藍牙設(shè)備的能力，并使傳輸范圍可達100米，最高速率達到10Mbps。 2、UWB： UWB采用超短周期脈沖進行調(diào)制，把信號直接按照0或1發(fā)送出去，而不使用載波，這與此前的無線通信截然不同。而且脈沖調(diào)制產(chǎn)生的信號為超寬帶信號，譜密度極低，信號的中心頻率在650MHz～5GHz之間，平均功率為亞毫瓦量級，抗干擾和多徑的能力強，具有多個可利用信道。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識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，作為條形碼的無線版本，RFID技術(shù)具有條形碼所不具備的防水、防磁、標簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息更改自如等優(yōu)點。 5、未來的WiFi――802.11n（IEEE 802.11n標準） 它將具備與802.11a/b/g的回溯相容性，并提供超過100 Mbps的資料傳輸率。802.11n的效能提升，主要來自于新型多重輸入/輸出無線電技術(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)藉由增加無線裝置中無線電以及天線的數(shù)目，提升資料傳輸率。IEEE預計于2006年中制定核準802.11n的規(guī)格。 6、WiMAX 其中IEEE 802.16d，將在2～11 GHz之間的頻率范圍運作(在美國將采用2.5 GHz、3.5 GHz、5.8 GHz三個頻帶)，在理想狀況下若無障礙物阻隔，50公里距離的最高資料傳輸率高達70 Mbps。
