摘 要： 针对家庭应用中对智能灯光控制系统的需求，通过分析目前主流无线技术的特点，设计了一款以微控制器LPC1114和Si4432集成芯片为基础的无线射频模块。介绍了模块的架构，对其硬件和软件设计中的关键技术进行了说明；给出了无线接收/发送程序流程。实验表明,模块具有传输距离远、穿墙能力强的特点，非常适用于智能灯光控制系统。
关键词： LPC1114；Si4432；无线射频模块；穿墙能力
0 引言
智能灯光控制系统是IT技术、网络技术、控制技术应用在传统灯光控制上的发展成果。随着智能家居全面进入物联网时代，有线智能灯光控制系统主要以总线、电力线载波等技术为主，存在着需要预布控制线、安装难、扩展难、调试难、易受电网干扰和系统不稳定等问题。同时不能适应家居设备布置分散、更新频繁的特点，无法满足增添设备、扩展功能的要求，严重影响家居行业的发展。无线通信技术因其无需布线、安装简易，成为智能灯光控制系统通信方式的首选[1]。但由于无线网络技术的复杂性、数据传输的可靠性等问题，目前在国内并没有作为家居系统的主干网络应用，大部分系统还是以有线为主，无线仅仅作为有线的一个扩展而普遍存在。但是随着微电子技术和信号处理技术的进步，无线通信的实现越来越方便，智能家居领域从有线转向无线是大势所趋。因此选择合适的智能家居无线技术是一个亟待解决的问题。
通过分析产品在家庭实际应用中的实用性、功能的扩展性、信号的传输效率和距离，以及成本等方面因素，本文提出以Cortex-M0系列微控制器LPC1114和Si4432集成芯片为基础构成的无线射频通信模块。基于此模块的控制系统成功实现了高效率、远距离、高灵敏度的无线数据传输。
1 无线技术的比较与分析
目前应用较为广泛的近距离无线通信技术主要有红外数据传输IrDA、蓝牙、无线局域网WiFi、ZigBee、射频技术等[2]。5种无线技术的特性如表1所示。
（1）IrDA
IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，具有带宽大的特点，数据传输效率较高，适于传输大容量的文件和多媒体数据，最主要的优点是无需申请频率的使用权，成本低廉。但红外最大的不足在于它是一种视距传输, 传输距离短,两个相互通信的设备必须对准,中间不能被其他物体阻隔。这些问题限制了它在智能灯光控制系统中的应用。
（2）蓝牙
蓝牙技术通过无线连接的方式使得近距离内各种通信设备能够实现无缝资源共享, 也可以实现在各种数字设备之间的语音和数据通信。蓝牙的标准是IEEE802.15，工作在2.4 GHz频带,有效范围大约在10 m半径内。在此范围内，采用蓝牙技术的多台设备，如手机、微机、激光打印机等以约1 Mb/s的速率相互传递数据。但它的不足在于通信的有效距离太短，成本过高，以及速度和安全性能不令人满意。
（3）WiFi
WiFi(Wireless Fidelity)属于无线局域网(WLAN)的一种, 通常是指IEEE802.11b 产品。IEEE 802.11b工作频段为2.4 GHz的ISM自由频段, 采用直接序列扩频(DSSS)技术理论上可以达到11 Mb/s的速率。但如果多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户共享，则WiFi的连接速度只有几百kb/s。WiFi的理论传输距离有100 m，但其信号传输容易受到障碍物的影响，实际在室内传输距离只有20 m左右。WiFi通信距离太短、成本较高以及安全性这些特性决定了它不适合作为智能灯光控制系统的无线通信技术。
（4）ZigBee
ZigBee是一种短距离、低功耗、低传输速度、高网络容量的无线通信技术,其有效覆盖范围在10 m~75 m之间，工作于可选择的868 MHz 、915 MHz、2.4 GHz 频段，传输速率为250 kb/s。ZigBee是一种高可靠的无线数据传递网络，类似于CDMA和GSM网络。但由于采用随机接入MAC层，不支持时分复用的信道接入方式，有延时性，并且信号衰减快，传输速率低，价格相对昂贵。
（5）射频技术
射频通信基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）的传输特性，利用一定频率的载波通过天线发射出去，以交变的电磁场形式在自由空间以光速传播，它是一种非接触的自动识别技术。射频载波频率基本上有3个范围：低频(30 kHz~300 kHz)、高频(3 MHz~30 MHz)和超高频(300 MHz~3 GHz)[3]。
2 无线射频模块的开发和设计
通过分析市场上已有的产品类型以及国内家庭的实际情况，本文提出一种基于Cortex-M0系列微控制器LPC1114和Si4432集成芯片构成的无线射频通信模块。该模块基于无线射频技术，它的接收灵敏度达到-117 dB，可提供极佳的链路质量，在扩大传输范围的同时将功耗降至最低；最小滤波带宽达8 kHz，具有极佳的频道选择性。在240 MHz~960 MHz 频段内，不加功率放大器时的最大输出功率就可达20 dBm，设计良好时收发距离最远可达2 km。同时模块具有+20 dB的功率放大器，能够确保扩大通信范围和改进链路性能。它独有的支持频率跳变能够提高模块的抗干扰能力，TX/RX 转换控制和内置天线分集转换控制功能能够进一步扩大通信距离和提高通信性能。在拓展性方面，Si4432自带双向通信功能，为以后在物联网上的发展提供了很好的条件。
作为智能灯光控制系统中的通信模块，其优点是无需重新布线，不会破坏原有家居的美观。利用点对点的射频技术实现对灯光的控制，安装设置都比较方便，传输距离远，穿墙能力强，成本低。
在空旷条件和有墙壁遮挡情况下对模块和主流无线技术的通信距离进行实验比较，实验得出的接收信号情况如表2所示。可以看出，本文设计的无线射频模块与市场上已有的技术比较，传输距离和穿墙能力是它的最大优势，更适合在家庭的智能灯光控制系统中使用[4]。
2.1 模块硬件设计
LPC1114可通过增强型四线SPI接口，即SDI、SDO、SCLK和nSEL对这些寄存器读写，灵活配置各项参数。其中，SDI用于从LPC1114到Si4432的串行数据传输；SDO用于从Si4432到LPC1114的串行数据传输；SCLK用于同步LPC1114和Si4432间在MOSI和MISO线上的串行数据传输；nSEL作为片选信号，只有片选信号为低电平时，对Si4432的操作才有效，电路中提供的接收低噪声放大器匹配电路和发射功率放大器匹配电路的阻容参数，可以使Si4432达到较好的通信效果[5]。LPC1114和Si4432芯片的硬件电路原理图如图1所示。
Si4432的13 ~ 16脚是标准的SPI接口，17脚(nIRQ)是中断状态输出引脚。当FIFO溢出、有有效的数据包发送或接收、CRC错误、检测到前导位和同步字、上电复位等情况发生,且相应的中断被使能时，17脚都会产生一个低电平以通知LPC1114有中断产生。
LPC1114通过JTAG接口或者ISP模式与PC通信，可以实现模块程序在线调试。无线模块硬件结构如图2所示。
2.2 模块软件设计
软件的开发环境为Keil uVision3，软件设计的目的是完成微控制器LPC1114和Si4432的初始化配置、数据的接收与发送。
软件编程采用模块化设计思想,系统中各主要功能模块均编成独立的函数由主程序调用。
（1）初始化设置
本模块的软件系统大体上可以分为以下部分：初始化部分、数据发送部分和数据接收部分。初始化模块包括LPC1114的初始化[5]、SPI的初始化以及Si4432关于无线收发频率、工作模式、发射速率等内部寄存器的初始化配置，相关寄存器配置可以从Silicon Labs提供的Excel表格中得到。以上各模块软件设计流程参考Silicon Labs提供的应用手册，可减少不必要的工作量。
（2）无线接收数据设置
Si4432共有128个寄存器，管理着芯片的各项功能、状态，记录着芯片的数据。系统上电后，芯片处于默认状态，根据功能需求进行寄存器的初始化配置。微控制器LPC1114通过SPI对寄存器进行访问。SPI是位可配置的，其默认为MSB在前，与LPC1114的读写顺序相同。SPI一次传输一个16 bit的命令序列，包括读写域和数据域。每次可以读写一个或多个字节，它们由时钟信号控制，SPI接口提供了对读写连续寄存器的读写功能，在读写操作完成后，如果时钟信号继续有效，那么地址将会自动加1，对下一个寄存器进行读写操作，而不用重新发送SPI地址[6]。
关闭和空闲状态称为低功耗状态，其中空闲状态又可细分为5种不同的子状态，它们在低功耗下完成各种与无线数据收发无关的操作。发送和接收状态称为激活状态，在这种状态下完成无线数据的收发。除了关闭状态外，其余状态都可以通过SPI接口进行设置和读取[7]。
发送数据：首先RS232接口电路接收逻辑电平信号，然后串并转换电路将逻辑电平信号转换成TTL电平信号，转换完的数据送入LPC1114中，经LPC1114处理后送入芯片Si4432，芯片Si4432输出的数据经过功率放大电路进行功率放大后，通过天线将数据发送出去。无线发送程序流程如图3所示。
接收数据：芯片Si4432通过天线接收数据然后送入LPC1114中，LPC1114接收到的是TTL电平信号，串并转换电路将TTL电平信号转换成逻辑电平信号, 并通过RS232接口电路将无线数据以逻辑电平信号形式发送到本地设备。无线接收程序流程如图4所示。
本设计方案通过采用NXP提供的Cortex-M0内核中SPI和GPIO相关驱动程序，实现了SPI与Si4432的数据传输。同时利用U-Link仿真器，对LPC1114进行ISP调试，极大地提高了开发效率。
3 结论
本文就目前市场上种类繁多的无线通信技术，针对家庭智能灯光控制系统提出以LPC1114和Si4432集成芯片为基础的无线射频通信模块。本模块可以嵌入到智能灯光控制系统中，构成一个无线网络，从而实现系统的无线通信。实验证明，该模块运行效果良好，具有传输距离远、穿墙能力强以及通信误码率低的特点。
本模块已在实际的项目中应用，得到了用户的认可和好评。系统的应用推广将有助于推动整个行业以及智能灯光控制技术的发展。
参考文献
[1] 徐方荣. 无线智能家居控制系统设计[J]. 现代建筑电气, 2010 ,1(1): 24-27.
[2] 冯莉, 董桂梅, 林玉池. 短距离无线通信技术及其在仪器通信中的应用[J]. 仪表技术与传感器, 2007 (2): 31-32.
[3] 张方奎, 张春业. 短距离无线通信技术及其融合发展研究[J]. 电测与仪表, 2007, 44(10): 48-52.
[4] 赵欣, 欧剑, 朱玉玉. 基于无线通信技术的温控系统的研究与设计[J]. 东北农业大学学报, 2010, 41(7): 128-134.
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)
Hua Jiang，Huang YinResearch and design of wireless RF module based on Si4432