WiFi无线技术在智能家居中的应用

2012-06-25贝能国际有限公司

单片机与嵌入式系统应用 2012年3期

贝能国际有限公司

引言

随着科学技术的不断发展，局域网也正逐渐向无线化、多网合一的方向发展，在这个多网合一快速发展的过程中，带动了多种无线技术的广泛应用，WIFI便是其中的一种。

当前，智能家居产业也正如火如荼地进行，可以预见，未来智能家居的发展，将不再局限于家电设备、灯光等遥控的控制，嵌入式智能终端、无线WiFi技术，以及Internet的广泛应用必将使家居控制变得更加自动化、智能化和人性化，必将改变传统智能家居的模式，把智能家居推上一个快速发展的舞台。

1 WiFi技术原理及应用

WiFi全称Wireless Fidelity，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到54Mbps。另外，它的有效距离也很长，在开放性区域通信距离可达305m，在封闭性区域通信距离为76～122m，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。

Wi－Fi技术突出的优势在于：

其一，无线电波的覆盖范围广，WiFi的半径则可达100m，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。

其二，传输速度非常快，可以达到11Mbps，符合个人和社会信息化的需求。

它与有线网络相较之下，有许多优点：

① 无需布线。WiFi最主要的优势在于不需要布线，可以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要，具有良好的市场前景。目前它已经从传统的医疗保健、库存控制和管理服务等特殊行业向更多行业拓展开去，甚至开始进入家庭以及教育机构等领域。

② 健康安全。无线网络使用方式并非像手机直接接触人体，应该是绝对安全的。

③ 组建方法简单。一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及一台AP，如此便能以无线的模式，配合既有的有线架构来分享网络资源，架设费用和复杂程序远远低于传统的有线网络。如果只是几台电脑的对等网，也可不要AP，只需要每台电脑配备无线网卡。AP为Access Point的简称，一般翻译为“无线访问节点”或“桥接器”。它主要在媒体存取控制（MAC）层中充当无线工作站及有线局域网络的桥梁。有了AP，就像一般有线网络的Hub一般，无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。特别是对于宽带的使用，WiFi更显优势，有线宽带网络（ADSL、小区LAN等）到户后，连接到一个AP，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。普通的家庭有一个AP已经足够，甚至用户的邻里得到授权后，则无需增加端口，也能以共享的方式上网。

④ 远距离工作。别看无线WiFi的工作距离不大，在网络建设完备的情况下，802.11b的真实工作距离可以达到100m以上，而且解决了高速移动时数据的纠错问题、误码问题，WiFi设备与设备、设备与基站之间的切换和安全认证都得到了很好的实现。

总而言之，家庭和小型办公网络用户对移动连接的需求是无线局域网市场增长的动力。

2 Microchip WiFi产品概述

Microchip的MRF24WB0MA和MRF24WB0MB是符合2.4GHz IEEE802.11的低功耗表面贴装模块，含有所有相关的RF元件——晶振、带集成MAC的旁路和无源偏置电路、基带、RF和功率放大器，以及支持AES和TKIP（WEP、WPA和 WPA2安全性）的内置硬件。集成式模块设计使设计人员可以免去RF与天线设计任务以及合规性测试，从而最终缩短上市时间。MRF24WB0MA模块经批准可以与集成的PCB螺旋天线配合使用。MRF24WB0MB附带超小型同轴连接器（U.FL），经批准可以与一系列通过预先认证的天线配合使用。MRF24WB0MA／MRF24WB0MB模块设计为与 Microchip的TCP／IP软件协议栈配合使用。该软件协议栈集成有驱动程序，其实现的API在模块中用于命令和控制，以及管理和数据包流量。Microchip TCP／IP软件协议栈可以从 Microchip 网站（http：／／www.microchip.com／wireless）的Microchip应用库中免费下载（包括应用示例和源代码）。模块与运行TCP／IP协议栈的PIC组合在一起可支持IEEE802.11和IP服务。这样便可立即实现无线Web服务器。在美国（FCC）、加拿大（IC）及欧洲（ETSI），MRF24WB0MA／MRF24WB0MB 模块都获得了模块化器件的法规批准。模块化批准消除了对昂贵的RF和天线设计的需求，允许最终用户将模块放置于成品中，而无需进行针对人为辐射体（RF发送器）的法规测试。这两种模块也通过了日本的无线电类型批准认证。

3 Microchip WiFi产品特性

符合IEEE802.11的RF收发器；唯一的序列化MAC地址；数据速率为1Mbps和2Mbps；兼容IEEE标准802.11b／g／n；21mm×31mm 的36引脚表面贴装模块；集成的PCB天线（MRF24WB0MA）；可选配备超小型同轴（U.FL）连接器的外部天线（MRF24WB0MB）；最大范围为400m（1300英尺）；易于集成到最终产品中——加快产品开发，缩短上市时间；单一工作电压为2.7～3.6V（典型值为3.3V）；温度范围为－20～＋85℃（扩展商业级）；简单的带中断的4线SPI接口；工作于ISM波段2.400～2.484GHz；可对14个信道进行分别选择或域限制；DSSS调制；数据速率为1000kbps；1Mbps时的典型灵敏度为－91dBm；使用控制功能时的典型输出功率为＋10dBm；集成的低相位噪声VCO、RF频率合成器、PLL环路滤波器和PA；数字VCO和滤波器校准；集成的RSSI ADC和I／Q DAC，主机可获取RSSI读数；平衡的接收器和发射器特性，适用于低功耗应用 MAC／基带特性；硬件CSMA／CA访问控制、自动ACK和FCS创建与检查；MAC数据包自动重发；硬件安全引擎（基于AES和RC4的加密）；支持802.1x和802.1i安全性，如 WEP、WPAPSK和 WPA－2－PSK；低电流，接收（RX）模式下为85mA（典型值），发送（TX）模式下为154mA（＋10dBm典型值），休眠下为250μA（典型值），冬眠下为＜0.1μA（典型值）。

4 Microchip WIFI硬件方框图

4.1 MRF24WB0MA方框图

图1

4.2 MRF24WB0MA／MRF24WB0MB接口说明

MRF24WB0MA／MRF24WB0MB通过一个四线串行从动SPI接口（产生中断、冬眠（Hibernate）、复位、电源和接地信号）与 Microchip PIC18、PIC24、dsPIC33或 PIC32单片机连接。模块运行在标称值为3.3V的单电源电压上。还支持可选JTAG和串行调试功能以实现可测试性。调试端口工作在3.3V，需要一个电平转换器才能与RS－232设备配合工作。

5 在家庭智能电量分析终端中的应用

WiFi是由AP（Access Point）和无线网卡组成的无线网络，而AP是传统的有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁，因此任何一台装有无线网卡的PC均可通过AP去分享有线局域网络甚至广域网络的资源，其工作原理相当于一个内置无线发射器的HUB或者是路由，而无线网卡则是负责接收由AP所发射信号的CLIENT端设备。

相比较传统智能家居系统采用的有线布网方式，WiFi技术的应用可减少布线麻烦，具有更好的可扩展性、移动性。因此采用无线智能控制模式是智能家居发展的必然选择。

下面以 Wi－Fi Power Control Box为例，讲解 MRF24－WB0M在智能家居中的应用。图2为 Wi－Fi Power Control Box框图。