基于nRF24E1的嵌入式2.4GHz无线接入系统

作者：吴钊炯 ;张莹 ;刘新朝
1; 概述
在短距离的通信中，无线技术被普遍看好，其中射频技术因为功耗低和无方向性等优点而受到青睐。
通信频率为2.4GHz的频段是全球开放的ISM(工业、科学和医学)频段，使用者无需申请许可证，给开发者和用户带来了很大方便；同时，可以有效地避免低频段信号、各类电火花及家用电器的干扰。因为这一频段具有这些优点，其他的一些应用，如蓝牙、WLAN ，也是在这一频段；但蓝牙和WLAN对于工业控制、医疗传感器、住宅和楼宇自动化装置等设备来说，过于复杂，其成本也过高，很难满足快速开发和低成本的要求。因此，目前迫切需要一种低成本、低功耗、能够快速开发应用的方案，来实现设备的无线连接。
另一方面，经过多年的发展， TCP/IP协议已经成为目前被广泛应用于Internet的通信协议。在嵌入式系统中实现TCP／IP协议栈，利用Internet进行远程数据传送，可以实现对远端设备运行状态的监视和控制。
在嵌入式TCP/IP平台下利用工作频率为2.4GHz的无线收发模块nRF24E1 ，进行短距离的点对多点的无线通信；用无线技术解决最后10m的通信问题，可实现一种无线接入的解决方案。
2; nRF24E1及其通信协议
2.1nRF24E1模块的基本特性
nRF24E1是北欧集成电路公司(Nordic)推出的一款带8051内核的无线收发模块，内部结构如图1所示。该模块的无线收发器工作于2.4GHz的ISM频段，有多达125个的频点，可通过改频和跳频来避免干扰。nRF24E1的集成度非常高，内部集成了增强型8051内核,2.4GHz无线收发器,100ksps的9路10位模数转换器， UART接口， SPI接口， PWM输出，内置RC振荡器、看门狗和唤醒定时器以及专门的稳压电路。所有高频元件包括电感、振荡器等，全部集成在芯片内部，因此芯片的性能稳定，受外界环境的影响很小。
nRF24E1采用36脚QFN(6mm×6mm)封装，最大传输速率可达1Mb/s ，灵敏度为一90 dBm ，最大发射功率为O dBm；在较为理想的环境中，室内传输距离可达30～40 m ，室外传输距离可达100～200 m；其工作电压为1.9～3.3 V ，工作温度范围为一40～ 80℃ 。
2.2nRF24E1之间的通信协议
nRF24E1的无线数据包格式为
其中， Preamble是前导码，是硬件自动加上去的；ADDR是发送的地址，为32～40位；PAYLOAD是有效数据；CRC是CRC校验和，由内置CRC纠检错硬件电路自动加上，可设为O、8或16位。ADDR、PAYLOAD和CRC的总长度最大为256位，因此，设置较短的地址和校验和能提高传输效率，但也使得可靠性降低。
nRF24E1通过软件设置收发模式、收发频率、接收地址、发射功率、CRC校验和的长度、有效数据的长度等。无线收发器有2个频道：频道1可以接收和发送；频道2只能接收，且频道2的接收频率总比频道1高8MHz；同时，每个芯片可以设置2个地址。收发频率和地址随时都可以通过软件更改，实现改频和跳频；但是，必须通过通信协议解决好，一致的频率和正确的地址才是数据传送的前提。只有地址符合且校验和正确的包，才能被进一步处理；若有一项不正确，整个数据包就被硬件自动丢弃。若地址与校验和相符，则由硬件产生中断DRl或DR2 ， 8051才能将数据接收到缓冲区。
在同一时刻， nRF24E1只能处于接收或发送模式中的一种。一般以接收模式为待机状态。
【基于nRF24E1的嵌入式2.4GHz无线接入系统】 3; 无线接入解决方案
系统的解决方案示意图如图2所示。
nRF24E1主机是无线系统的要害部分。它不但作为接入点，负责与嵌入式TCP/IP模块交换数据，同时也负责与其他无线模块通信。
为实现Internet网络互联，使用以太网控制芯片RTL8019AS ，并将TCP/IP协议栈嵌入在ATmegal28的内部。除此之外， ATmegal28内部还实现了一个小型通用的WebServer ，而远端的PC就作为客户端。
数据的传送过程是远端PC通过Internet发送数据，由RTL8019AS接收数据包，再由ATmegal28对TCP/lP数据包进行处理，得到PC发送的信息， AT-megal28再将数据通过SPI接口传送到nRF24E1主机。nRF24E1主机根据内部协议又将数据传给相应的nRF24E1从机，再由nRF24E1从机对各自的设备进行通信或控制。nRF24E1从机给远端PC传送数据为反向的过程。

;;; 4; 接入系统的控制及其实现
4．1无线系统的控制方法
将所有的nRF24E1模块都设置为同一频率，通过设置不同的地址来区分各个无线模块。为了避免多个从机同时给主机发送数据产生冲突，主机不但要作为接入点，同时要控制整个无线系统，避免冲突。
系统采用主机轮询，从机应答的方法，即主机按照一定的规则，给从机发送一个答应从机发送数据的标志。该标志相当于一个令牌，从机若有数据发送，得到令牌后，可在令牌的有效时间内连续地发送多帧数据。当然，也可以设置只能发送1帧数据，数据发送完毕后必须有一个结束的信号END标志；假如从机没有数据发送，也必须给主机返回END标志，从机的回应可以让主机判定与该从机的通信链路是否正常。
主机对无线系统的控制主要是通过令牌来实现的，因此主机对从机的令牌是否有效的判定是其中的要害，而且必须考虑足够的容错性能。可以通过两个方法来判定和控制令牌的有效时间：一是从机收到令牌到返回END标志的时间内令牌为有效，而主机根据从机返回的END标志即可判定该从机的令牌已经失效；二是规定令牌的最大有效时间，从机收到令牌后开始计时，达到规定的最大时间后，令牌自动失效，主机也通过计时来判定从机的令牌是否失效。这两个方法同时起作用。第一个方法可以提高系统效率，避免在空闲的链路上消耗过多的时间，使系统的品质得到提高；而设置最大时间是为了限制一个从机占用通信链路的时间，也可以防止丢失END标志甚至通信链路不正常所产生的错误，尽量减少不正常的链路对系统其他部分的影响。
当然，主机不仅可以采用轮询的方法，也可以根据各个从机的通信优先级不同来分配令牌，而且每个从机令牌的最大有效时间也可以不一样。从机必须在令牌的有效时间内才能给主机发送数据，每一时刻只有一个从机的令牌有效，以避免冲突。主机要发送数据，必须先查询从机的令牌是否有效。若令牌有效，还必须等从机的END标志到来后，或者时间超过了令牌的最大有效时间，且这时所有从机的令牌都见效，主机才可以发送数据。
4.2系统的实现
nRF24E1主机不但要与ATmegal28通信，还要与其他nRF24E1从机通信；同时，还要控制整个无线系统。因此， nRF24E1主机是整个无线接人系统的要害，它能否高效地运行，关系到整个系统的效率。
图3所示为。nRF24E1主机在正常情况下的运行流程。主机在令牌发出去以后，就只能处于无线接收的状态，直到从机的令牌无效后才能进行与ATmegal28的通信或者给从机发送数据。
nRF24E1从机的通信任务要简单得多，另外还有各自的应用。可以用nRF24E1的I/O端口直接控制设备，也可以连接其他MCU实现其他功能。
由于nRF24E1内置了增强型8051控制器，使nRF24E1成为一种集无线数据接收和发送于一体，以及对数据进行处理的片上系统(SoC) ，并且有模拟输入和PWM输出，因此，不但可以作为无线接口实现无线数据传送，在一些较为简单的控制系统中，可以用它作为控制核心，无需另接MCU 。这使得nRF24E1的应用系统更为简化，大大增强了无线系统的稳定性和可靠性；同时，也使得开发变得简单，成本进一步降低。
在一些较为复杂的系统中，由于nRF24E1的端口有限，只有256字节的RAM空间， 805l的处理能力也不是很强。在这样的系统中，可通过连接功能更为强大的MCU ，让MCU进行处理。应用中，采用了ATmegal28 ，而nRF24E1只作为无线通信的接口，将数据通过UART或SPI接口传送到Atmegal28 ，让Atmegal28进行较为复杂的运算和处理。
图4为ATmegal28与nRF24E1的SPI接口电路图。nRF24E1为SPI的主机， ATmegal28为从机。通过SPI接口可使nRF24El与ATmegal28的最大通信速率达到2Mbps ，因此，传输的速度可以满足大多数场合的应用。
本系统可以应用于数据采集系统、信息家电的无线通信接口、住宅和楼宇自动化装置以及工业自动化的无线连接等场合。上述方案已经在数据采集系统上得到应用，很方便地实现了设备间的无线连接；而且对原有模块的改动很少，开发时间较短，系统的稳定性很好。
结语
蓝牙工作在2．4GHz频段，但由于其芯片的成本一直居高不下，产品很难开发，因此到目前为止，蓝牙的产品还是很少。另外，市场尚未出现非蓝牙不可的应用需求，蓝牙的一些市场定位能够轻易地被其他更专业的产品所取代。nRF24E1就是以较低的价格和较轻易应用开发等优势来代替一些领域的蓝牙应用，为一些只需要简单的无线连接的应用领域，提供一种低成本、低功耗、能够快速开发应用的方案，以实现无线连接。另外，在嵌入式系统中实现TCP/IP协议栈，利用Internet进行数据的远程传送；而在本地端采用嵌入式的2.4 GHz无线接入技术，将这两者结合起来，具有一定的先进性和广阔的应用前景。