2024年8月7日发(作者：前静枫)
基于2.4G智能家居系统的设计与实现
程明 尚浩
(郑州大学 信息工程学院 郑州 450001)
摘要：随着科技迅猛发展，无线通信技术不断发展和成熟，2.4G无线技术在人们日常生活
中发挥着重要的作用。因此为了提高一般的红外遥控器与机顶盒之间数据传输过程安全性和
抗干扰性，本文设计了一种新型的遥控器。该设计采用2.4GHz无线收发模块和轨迹球模块
实现。
关键字： 2.4G无线技术; 轨迹球; nRF24LE1; nRF24LU1+
Design and Implementation of 2.4GHz wireless remote controller
Ming Cheng Hao Shang
(zhengzhou university information and engineering college zhengzhou 450001 )
Abstract: With the rapid development of science and technology , wireless communication
technologies continue to develop and mature , 2.4G wireless technology plays an important role in
people's daily lives . Therefore, in order to improve the general security and anti-jamming of the
data transfer process between the infrared remote control and set-top boxes, this paper designs a
new type of remote control . The design uses the 2.4GHz wireless transceiver modules and the
trackball module .
Key words: 2.4G wireless technology; trackball; nRF24LE1; nRF24LU1+
目前用于无线通信的通用芯片
一．引言
常见的有挪威Nordic公司nRF24LE1无线芯
无线通信技术的快速发展，满足了人们片模组，以色列RFWave公司的RFW102
日常生活需要的同时，也使得用户对其提出无线芯片模组等，根据设计需求及成本估
更高的要求，希望拥有一个适用于大部分家算，本设计采用nRF24LE1和nRF24LU1+
用电器，手持终端设备的存在，不但能够节进行数据直接传输和处理。
省来回切换手持终端的时间，还能够在便捷nRF24LE1用作遥控器的主控芯片，其
的同时带来 内部有两个部分：增强型的8051MCU和内
国内目前在机顶盒研发过程中，考虑到嵌2.4G低功耗无线收发内核nRF24L01P，
用户对机顶盒的娱乐性和多功能性提出了空中速率有三个选择:250 kbps, 1 Mbps，2
较高要求。在研发过程中把现在市场和人气Mbps，保证数据的空中快速传输。两者之
很火爆的安卓系统移植到机顶盒上，有了丰间通过SPI接口进行通信。还拥有丰富的外
富的应用程序资源。一般的红外的遥控器已设资源，尤其是内置128 bit AES硬件加
经达不到使用要求，因此也催生出一种新型密器，可对任何无线传输的数据进行高强度
遥控器的出现。本设计不但采用2.4G无线 的加密，确保无线数据的安全，特别满足
技术还加入轨迹球模块，使用户能够更好地 RFID对高安全性的要求。CPU的工作模式
人机交互操作。 可以通过开关状态寄存器的控制位来控制，
当工作在发射模式下发射功率为-6dBm，电
二．原理分析
流消耗为9mA，接收模式时为12.3mA，该
特性为设计低功耗系统提供了先天性条件。
2.1 2.4GHz无线模块的简介
1
nRF24LU1+芯片内部结构和nRF24LE1
基本一致，考虑到成本的计算，采用
nRF24LU1+符合全速USB 2．0标准的器件
控制器。
3.1 遥控器发射端设计：
该遥控器具有学习功能，所以是一种
学习型遥控器。在遥控器端学习区划分了五
个按键。分别是：学习、频道+、频道-、音
量+和音量-，通过触按学习键作为学习功能
的开启，把学习到的学习码存放到硬件电路
设计的EEPROM中。
遥控器天线是由电感L1、L2、L3和电
容C7、C8组成。具体的参数值是由根据所
要接受到2.405GHz~2.485GHz无线频段匹
配所得到的，滤除不需要的频率并保留需要
的频段。
AT24C16芯片通过SPI接口连接到主控
芯片中，存放学习到的学习码，控制电视机
的常用功能，减少使用遥控器的频繁切换带
来的不便。轨迹球中四个磁环分别对应高精
度霍尔锁存器S732，这四个霍尔锁存器输
出端分别与P0.1、P0.3、P0.4、P2.2四个I/O
2.2 轨迹球模块介绍
选用恒泰电子TB-10，该型号采用的无
接触式磁感应采集数据方式，在模块的周围
分别布局四个磁环，当中间的球体转动就会
引起至少一个方向的磁环的滚动，产生霍尔
效应，用高精度的霍尔锁存器S732记录变
化的值。因此，手指在导航键上移动即可像
使用手机上轨迹球一样随意操作，屏幕上可
实现菜单控制操作。
2.3 工作原理和过程
基于2.4GHz的无线遥控器，除了完成
正常的键值编码和发射外，还要实现鼠标功
能。
键盘采用的是7*8行列键盘编码，这也
是目前市面上常用的形式。首先对每个按键
进行自定义，由于按键值不同，传送到遥控
器芯片的值也不相同，nRF24LE1芯片启动
发射模式传送到与机顶盒连接的接收端芯
片nRF24LU1+，按照HID协议中的键盘，
对数据打包通过USB接口传送到机顶盒。
鼠标功能类似空中鼠标，采用空中定位
技术实现。此方案中鼠标定位采用轨迹球模
块实现。轨迹球模块将球体坐标位置变化信
息发送至遥控器主芯片nRF24LE1，根据所编
写程序对接收到的信息进行处理。整个系统
架构如图1所示：
图2 发射端原理图
图1 系统框图
三．硬件设计
硬件部分包含两个部分，以nRF24LE1
为主控芯片的遥控器发射端和以
nRF24LU1+为主控芯片连接机顶盒的接收
端。
口连接，实现上、下、左、右4个方向变化
量的数值传送到MCU中。P2.6和轨迹球中
间按键连接，响应时相当于确定按键。在芯
片的外设电路中配置有JTAG、ISP和UART
接口，方便程序的下载和调试。
电源的供电部分，遥控器大部分采用的
是电池的供电，因此需要对电池使用寿命和
能量利用率达到最优化。LP2951功能适用
于电池用作供电源时有保护和电池检测，是
2
个高效率低电流的转换芯片，SHTDN是待
机功能，ERR是输入电压不够时的报警输出
功能，提醒用户及时更换电池。
图4 学习过程流程图
4.2 2.4GHz信号发射和接收过程
遥控器端按照Gazell协议和HID协议
对数据打包，打包后的数据被USB接口认
定为键盘数据和鼠标数据。
这些数据包通过遥控器端天线对外发
射，nRF24LE1内部有自动重发功能。自动
重发功能是针对自动应答系统的发送发，
SETUP_RETR寄存器设置启动重发数据的
时间长度。在每次发送结束后，系统都会进
入接收模式并在设定的时间范围内等待应
答信号。接收到应答信号后，系统装入正常
发送模式。如果没有收到确认信号，则系统
返回到发送模式直到收到确认信号或者重
发次数超过设定值（达到最大的重发次数）。
发射端流程如图5所示：
接收端要对接收到的数据包进行分数
据包识别（PID）和CRC校验。每一个数据
包都包含两位的PID来识别接收的数据时
新数据包还是重发的数据包。
接收端对新接收到的数据包的PID值
与上一包进行比较。如果PID值不同，则认
3.2 接收端设计:
接收端采用的芯片nRF24LU1+内嵌
USB功能模块，只需在外围提供四个接口即
可实现其功能。接收端天线由电容和电感匹
配，功能包括对信号的选频和谐振，对不需
要的信号频率滤波，使接收到的数据信号和
发射端的达到完全相同。电容和电感的参数
配置根据运算得出。电路如图3所示：
图3 接收端原理图
四、软件部分设计
软件实现包含红外学习过程和2.4GHz
信号发射和接受两部分。
4.1 红外学习过程
首先要确定被学习遥控器的学习按键，
本设计主要是学习的按键有：频道+、频道-、
音量+和音量-和电源这五个按键。根据软件
编程的要求，确定2.4G遥控器触发学习按
键的时间，然后按照下面流程图，对要学习
的按键进行学习并存储学习码。学习流程如
图4所示：
图5 发射端流程图
为接收到的数据包是新数据包，如果相同，
必须确认CRC值是否相等，如果CRC值与
前一个数据包的CRC相等，则认为是一个
数据包就舍弃。发送端在每发送一个数据包
PID值就会自动加一，这是接收端做出判断
的依据。PID值生产和检测如下图所示：
3
图6 PID值生成和检测
四、结语
本系统基于nRF24LE1和nRF24LU1+
芯片，采用2.4GHz无线技术，对机顶盒的
遥控器进行创新。该设计实现鼠标和按键的
复合设备，具有成本低、体积小、通信方向
不受制约和通信距离较远等优点；同时也符
合国家提倡的三网融合，不但能够在机顶盒
上使用，还能够在带有USB标准接口的电
子设备上使用，如PC，不就的将来将会成
为一个重要而实用的辅助设备。
参考文献：
[1] 谭晖 Nordic中短距离无线应用入门与
实践 北京：北京航空航天大学出版社，
2009.12
[2]张毅坤等.单片微型计算机原理及应用.
西安:西安电子科技大学出版社,1998. 8:
124- 156.
[3]薛圆圆 USB应用开发技术大全[M]. 北
京：人民邮电出版社,2007:44-68.
[4]徐星 刘克刚 一种新型的多功能鼠标的
设计[J].电子技术 2004(12)：53-55.
[5]Nordic 半导体
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2024年8月7日发(作者：前静枫)
基于2.4G智能家居系统的设计与实现
程明 尚浩
(郑州大学 信息工程学院 郑州 450001)
摘要：随着科技迅猛发展，无线通信技术不断发展和成熟，2.4G无线技术在人们日常生活
中发挥着重要的作用。因此为了提高一般的红外遥控器与机顶盒之间数据传输过程安全性和
抗干扰性，本文设计了一种新型的遥控器。该设计采用2.4GHz无线收发模块和轨迹球模块
实现。
关键字： 2.4G无线技术; 轨迹球; nRF24LE1; nRF24LU1+
Design and Implementation of 2.4GHz wireless remote controller
Ming Cheng Hao Shang
(zhengzhou university information and engineering college zhengzhou 450001 )
Abstract: With the rapid development of science and technology , wireless communication
technologies continue to develop and mature , 2.4G wireless technology plays an important role in
people's daily lives . Therefore, in order to improve the general security and anti-jamming of the
data transfer process between the infrared remote control and set-top boxes, this paper designs a
new type of remote control . The design uses the 2.4GHz wireless transceiver modules and the
trackball module .
Key words: 2.4G wireless technology; trackball; nRF24LE1; nRF24LU1+
目前用于无线通信的通用芯片
一．引言
常见的有挪威Nordic公司nRF24LE1无线芯
无线通信技术的快速发展，满足了人们片模组，以色列RFWave公司的RFW102
日常生活需要的同时，也使得用户对其提出无线芯片模组等，根据设计需求及成本估
更高的要求，希望拥有一个适用于大部分家算，本设计采用nRF24LE1和nRF24LU1+
用电器，手持终端设备的存在，不但能够节进行数据直接传输和处理。
省来回切换手持终端的时间，还能够在便捷nRF24LE1用作遥控器的主控芯片，其
的同时带来 内部有两个部分：增强型的8051MCU和内
国内目前在机顶盒研发过程中，考虑到嵌2.4G低功耗无线收发内核nRF24L01P，
用户对机顶盒的娱乐性和多功能性提出了空中速率有三个选择:250 kbps, 1 Mbps，2
较高要求。在研发过程中把现在市场和人气Mbps，保证数据的空中快速传输。两者之
很火爆的安卓系统移植到机顶盒上，有了丰间通过SPI接口进行通信。还拥有丰富的外
富的应用程序资源。一般的红外的遥控器已设资源，尤其是内置128 bit AES硬件加
经达不到使用要求，因此也催生出一种新型密器，可对任何无线传输的数据进行高强度
遥控器的出现。本设计不但采用2.4G无线 的加密，确保无线数据的安全，特别满足
技术还加入轨迹球模块，使用户能够更好地 RFID对高安全性的要求。CPU的工作模式
人机交互操作。 可以通过开关状态寄存器的控制位来控制，
当工作在发射模式下发射功率为-6dBm，电
二．原理分析
流消耗为9mA，接收模式时为12.3mA，该
特性为设计低功耗系统提供了先天性条件。
2.1 2.4GHz无线模块的简介
1
nRF24LU1+芯片内部结构和nRF24LE1
基本一致，考虑到成本的计算，采用
nRF24LU1+符合全速USB 2．0标准的器件
控制器。
3.1 遥控器发射端设计：
该遥控器具有学习功能，所以是一种
学习型遥控器。在遥控器端学习区划分了五
个按键。分别是：学习、频道+、频道-、音
量+和音量-，通过触按学习键作为学习功能
的开启，把学习到的学习码存放到硬件电路
设计的EEPROM中。
遥控器天线是由电感L1、L2、L3和电
容C7、C8组成。具体的参数值是由根据所
要接受到2.405GHz~2.485GHz无线频段匹
配所得到的，滤除不需要的频率并保留需要
的频段。
AT24C16芯片通过SPI接口连接到主控
芯片中，存放学习到的学习码，控制电视机
的常用功能，减少使用遥控器的频繁切换带
来的不便。轨迹球中四个磁环分别对应高精
度霍尔锁存器S732，这四个霍尔锁存器输
出端分别与P0.1、P0.3、P0.4、P2.2四个I/O
2.2 轨迹球模块介绍
选用恒泰电子TB-10，该型号采用的无
接触式磁感应采集数据方式，在模块的周围
分别布局四个磁环，当中间的球体转动就会
引起至少一个方向的磁环的滚动，产生霍尔
效应，用高精度的霍尔锁存器S732记录变
化的值。因此，手指在导航键上移动即可像
使用手机上轨迹球一样随意操作，屏幕上可
实现菜单控制操作。
2.3 工作原理和过程
基于2.4GHz的无线遥控器，除了完成
正常的键值编码和发射外，还要实现鼠标功
能。
键盘采用的是7*8行列键盘编码，这也
是目前市面上常用的形式。首先对每个按键
进行自定义，由于按键值不同，传送到遥控
器芯片的值也不相同，nRF24LE1芯片启动
发射模式传送到与机顶盒连接的接收端芯
片nRF24LU1+，按照HID协议中的键盘，
对数据打包通过USB接口传送到机顶盒。
鼠标功能类似空中鼠标，采用空中定位
技术实现。此方案中鼠标定位采用轨迹球模
块实现。轨迹球模块将球体坐标位置变化信
息发送至遥控器主芯片nRF24LE1，根据所编
写程序对接收到的信息进行处理。整个系统
架构如图1所示：
图2 发射端原理图
图1 系统框图
三．硬件设计
硬件部分包含两个部分，以nRF24LE1
为主控芯片的遥控器发射端和以
nRF24LU1+为主控芯片连接机顶盒的接收
端。
口连接，实现上、下、左、右4个方向变化
量的数值传送到MCU中。P2.6和轨迹球中
间按键连接，响应时相当于确定按键。在芯
片的外设电路中配置有JTAG、ISP和UART
接口，方便程序的下载和调试。
电源的供电部分，遥控器大部分采用的
是电池的供电，因此需要对电池使用寿命和
能量利用率达到最优化。LP2951功能适用
于电池用作供电源时有保护和电池检测，是
2
个高效率低电流的转换芯片，SHTDN是待
机功能，ERR是输入电压不够时的报警输出
功能，提醒用户及时更换电池。
图4 学习过程流程图
4.2 2.4GHz信号发射和接收过程
遥控器端按照Gazell协议和HID协议
对数据打包，打包后的数据被USB接口认
定为键盘数据和鼠标数据。
这些数据包通过遥控器端天线对外发
射，nRF24LE1内部有自动重发功能。自动
重发功能是针对自动应答系统的发送发，
SETUP_RETR寄存器设置启动重发数据的
时间长度。在每次发送结束后，系统都会进
入接收模式并在设定的时间范围内等待应
答信号。接收到应答信号后，系统装入正常
发送模式。如果没有收到确认信号，则系统
返回到发送模式直到收到确认信号或者重
发次数超过设定值（达到最大的重发次数）。
发射端流程如图5所示：
接收端要对接收到的数据包进行分数
据包识别（PID）和CRC校验。每一个数据
包都包含两位的PID来识别接收的数据时
新数据包还是重发的数据包。
接收端对新接收到的数据包的PID值
与上一包进行比较。如果PID值不同，则认
3.2 接收端设计:
接收端采用的芯片nRF24LU1+内嵌
USB功能模块，只需在外围提供四个接口即
可实现其功能。接收端天线由电容和电感匹
配，功能包括对信号的选频和谐振，对不需
要的信号频率滤波，使接收到的数据信号和
发射端的达到完全相同。电容和电感的参数
配置根据运算得出。电路如图3所示：
图3 接收端原理图
四、软件部分设计
软件实现包含红外学习过程和2.4GHz
信号发射和接受两部分。
4.1 红外学习过程
首先要确定被学习遥控器的学习按键，
本设计主要是学习的按键有：频道+、频道-、
音量+和音量-和电源这五个按键。根据软件
编程的要求，确定2.4G遥控器触发学习按
键的时间，然后按照下面流程图，对要学习
的按键进行学习并存储学习码。学习流程如
图4所示：
图5 发射端流程图
为接收到的数据包是新数据包，如果相同，
必须确认CRC值是否相等，如果CRC值与
前一个数据包的CRC相等，则认为是一个
数据包就舍弃。发送端在每发送一个数据包
PID值就会自动加一，这是接收端做出判断
的依据。PID值生产和检测如下图所示：
3
图6 PID值生成和检测
四、结语
本系统基于nRF24LE1和nRF24LU1+
芯片，采用2.4GHz无线技术，对机顶盒的
遥控器进行创新。该设计实现鼠标和按键的
复合设备，具有成本低、体积小、通信方向
不受制约和通信距离较远等优点；同时也符
合国家提倡的三网融合，不但能够在机顶盒
上使用，还能够在带有USB标准接口的电
子设备上使用，如PC，不就的将来将会成
为一个重要而实用的辅助设备。
参考文献：
[1] 谭晖 Nordic中短距离无线应用入门与
实践 北京：北京航空航天大学出版社，
2009.12
[2]张毅坤等.单片微型计算机原理及应用.
西安:西安电子科技大学出版社,1998. 8:
124- 156.
[3]薛圆圆 USB应用开发技术大全[M]. 北
京：人民邮电出版社,2007:44-68.
[4]徐星 刘克刚 一种新型的多功能鼠标的
设计[J].电子技术 2004(12)：53-55.
[5]Nordic 半导体
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