基于nRF24E1與網(wǎng)絡(luò)、火線的教室照明射頻遙控設(shè)計

目前多媒體教室如涉及到對教室照明實施網(wǎng)絡(luò)遠程集成控制，一般都要改造原來基建時的布線，并重新走線，還要設(shè)立專門的電源控制組，改造代價確實高昂，所以，對其進行技術(shù)改造，有幾個基本要求必須優(yōu)先考慮：能適應(yīng)現(xiàn)有教學(xué)樓的網(wǎng)絡(luò)條件；保留原照明開關(guān)86型暗盒的位置，只有一根火線，無零線；一個教室遙控主機實現(xiàn)對多個照明開關(guān)從機實施控制(一對多)，并且與別的教室遙控主機和開關(guān)從機不發(fā)生沖突。

基于上面必須考慮的幾個基本要求，提出一種教室外遠程利用網(wǎng)絡(luò)、教室內(nèi)短程使用原照明開關(guān)86型暗盒的無線射頻解決方案，采用內(nèi)置增強型51兼容的射頻系統(tǒng)芯片nRF24E1來實現(xiàn)為對多的多媒體教室照明射頻遙控系統(tǒng)，圖1為系統(tǒng)工作原理主框圖。顯然，網(wǎng)絡(luò)供電、火線供電解決了實際電源布線的難題，而nRF24E1則是系統(tǒng)無線收發(fā)中關(guān)鍵的器件。

2 教室照明射頻遙控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 射頻收發(fā)芯片nRF24E1的基本特性

nRF24E1是挪威Nordie Semiconductor公司推出的系統(tǒng)級射頻收發(fā)芯片，內(nèi)部集成了增強型8051MCU內(nèi)核、2.4 GHz射頻收發(fā)器、100 kSPS的9路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、UART接口、SPI接口、PWM輸出；內(nèi)置了RC振蕩器、看門狗和喚醒定時器以及專門的穩(wěn)壓電路和VDD電壓監(jiān)視；有多個頻點，能夠?qū)崿F(xiàn)點對點、點對多點的無線通信，同時可通過改頻和跳頻來避免干擾；nRF24E1具有ShockBurstTM(突發(fā))工作方式，在nRF24E1內(nèi)置的8051MCU與nRF2401射頻模塊之間進行數(shù)據(jù)傳輸，保證了較低的數(shù)據(jù)傳輸速率(10 kb／s) 和較高的數(shù)據(jù)發(fā)送速率(可達1 Mb／s)，從而減少了系統(tǒng)功耗；發(fā)射模式下，射頻電流消耗僅為10.5 mA，接收模式下為18 mA；6 mm×6 mm的36引腳QFN封裝，需要非常少的外圍元器件；使用2.4 GHz小型桿狀天線，室內(nèi)可傳輸30米以上。故nRF24E1完全適合于教室照明射頻遙控系統(tǒng)的電路設(shè)計。

2.2 基于網(wǎng)絡(luò)供電的射頻遙控主機設(shè)計

多媒體教室照明射頻遙控系統(tǒng)主機安排在教學(xué)樓每一個多媒體教室的網(wǎng)絡(luò)末端，由符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)供電交換機提供智能電源，而以nRF24E1為主的系統(tǒng)則作為其低功耗無線接入點。主要由射頻收發(fā)芯片nRF24E1、網(wǎng)絡(luò)受電設(shè)備控制器LTC4267、通用的網(wǎng)口串口轉(zhuǎn)換器模塊、光耦4N25、基準(zhǔn)電壓TLV431以及相應(yīng)外圍電路組成，其主機的網(wǎng)絡(luò)供電原理圖如圖2所示。

由圖2可知，射頻遙控主機的電源取自于外來網(wǎng)絡(luò)提供的電源，免除了為無線接人點另外提供電源而引起的布線困難，采用Linear公司推出符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的LTC4267芯片設(shè)計網(wǎng)絡(luò)受電設(shè)備電路。在網(wǎng)絡(luò)供電部分，網(wǎng)絡(luò)供電有2種模式：一種是通過1、2、3、6數(shù)據(jù)線來傳送48 V(直流)電壓，另一種則是通過空閑線4、5、7、8來傳送48 V電壓，但在同一個網(wǎng)絡(luò)里只存在一種供電模式，因此在LTC4267芯片前級電路中安排了2個二極管電橋來自適應(yīng)這2種模式。

將網(wǎng)絡(luò)的48 V電壓接到LTC4267芯片上后，芯片有兩重功能：一是受電電源控制器，負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)上獲得電源；二是開關(guān)電源，將獲得的48 V電壓變壓到所需要的電壓，能提供最大13 W的功率。通過外接MOS-FET管Si3440、開關(guān)變壓器T2、光耦4N25等外圍電路，并通過基準(zhǔn)電壓TLV431獲得3.3 V系統(tǒng)主機所需的電壓，從而將網(wǎng)絡(luò)上傳來的電源供給射頻收發(fā)主機系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)變壓器T1把網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)從電源分離出來后，送到網(wǎng)口串口轉(zhuǎn)換模塊(另有論文講述)，轉(zhuǎn)換為串口信號，通過接口RXD，TXD與nRF24E1內(nèi)部的微控制器通信，或反方向傳遞信號，完成射頻遙控主機通過網(wǎng)絡(luò)與遠方的控制室計算機交互信息。這里的nRF24E1設(shè)置為射頻遙控主機模式，對從機發(fā)送指令，并接收從機發(fā)來的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2.3 基于火線供電的射頻遙控從機設(shè)計

由圖1的主框圖可知，射頻遙控從機系統(tǒng)是串聯(lián)在照明燈頭插座的前端火線上，實際上以nRF24E1為主體的從機系統(tǒng)則成為一個控制照明的智能火線開關(guān)，組成一個符合電工安全規(guī)范(即零線不入開關(guān))的單線制射頻遙控開關(guān)。主要由射頻收發(fā)芯片nRF24E1以及火線斷開取電電路、火線合上取電電路等組成，其從機火線取電原理圖如圖3所示。