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(yōu)點而受到青睞。通信頻率為2.4 ghz的頻段是全球開放的ism(工業(yè)、科學和醫(yī)學)頻段，使用者無需申請許可證，給開發(fā)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(yōu)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(yè)控制、醫(yī)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(fā)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(fā)應用的方案，來實現(xiàn)設備的無線連接。

    另一方面，經過多年的發(fā)展，tcp/ip協(xié)議已經成為目前被廣泛應用于internet的通信協(xié)議。在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)tcp／ip協(xié)議棧，利用internet進行遠程數(shù)據(jù)傳送，可以實現(xiàn)對遠端設備運行狀態(tài)的監(jiān)視和控制。

    在嵌入式tcp/ip平臺下利用工作頻率為2.4 ghz的無線收發(fā)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10 m的通信問題，可實現(xiàn)一種無線接入的解決方案。

    2 nrf24e1及其通信協(xié)議

    2.1 nrf24e1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(fā)模塊，內部結構如圖1所示。該模塊的無線收發(fā)器工作于2.4 ghz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,2.4 ghz無線收發(fā)器,100 ksps的9路10位模數(shù)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(wěn)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(wěn)定，受外界環(huán)境的影響很小。

    nrf24e1采用36腳qfn(6 mm×6 mm)封裝，最大傳輸速率可達1 mb/s，靈敏度為一90 dbm，最大發(fā)射功率為o dbm；在較為理想的環(huán)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℃。

    2.2 nrf24e1之間的通信協(xié)議

    nrf24e1的無線數(shù)據(jù)包格式為

    其中，preamble是前導碼，是硬件自動加上去的；addr是發(fā)送的地址，為32～40位；payload是有效數(shù)據(jù)；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(fā)模式、收發(fā)頻率、接收地址、發(fā)射功率、crc校驗和的長度、有效數(shù)據(jù)的長度等。無線收發(fā)器有2個頻道：頻道1可以接收和發(fā)送；頻道2只能接收，且頻道2的接收頻率總比頻道1高8 mhz；同時，每個芯片可以設置2個地址。收發(fā)頻率和地址隨時都可以通過軟件更改，實現(xiàn)改頻和跳頻；但是，必須通過通信協(xié)議解決好，一致的頻率和正確的地址才是數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)接收到緩沖區(qū)。

    在同一時刻，nrf24e1只能處于接收或發(fā)送模式中的一種。一般以接收模式為待機狀態(tài)。

    3 無線接入解決方案

    系統(tǒng)的解決方案示意圖如圖2所示。

    nrf24e1主機是無線系統(tǒng)的關鍵部分。它不但作為接入點，負責與嵌入式tcp/ip模塊交換數(shù)據(jù)，同時也負責與其他無線模塊通信。

    為實現(xiàn)internet網絡互聯(lián)，使用以太網控制芯片rtl8019as，并將tcp/ip協(xié)議棧嵌入在atmegal28的內部。除此之外，atmegal28內部還實現(xiàn)了一個小型通用的web server，而遠端的pc就作為客戶端。

    數(shù)據(jù)的傳送過程是遠端pc通過internet發(fā)送數(shù)據(jù)，由rtl8019as接收數(shù)據(jù)包，再由atmegal28對tcp/lp數(shù)據(jù)包進行處理，得到pc發(fā)送的信息，at-megal28再將數(shù)據(jù)通過spi接口傳送到nrf24e1主機。nrf24e1主機根據(jù)內部協(xié)議又將數(shù)據(jù)傳給相應