基于nRF24E1與網(wǎng)絡(luò )、火線(xiàn)的教室照明射頻遙控設計

目前多媒體教室如涉及到對教室照明實(shí)施網(wǎng)絡(luò )遠程集成控制，一般都要改造原來(lái)基建時(shí)的布線(xiàn)，并重新走線(xiàn)，還要設立專(zhuān)門(mén)的電源控制組，改造代價(jià)確實(shí)高昂，所以，對其進(jìn)行技術(shù)改造，有幾個(gè)基本要求必須優(yōu)先考慮：能適應現有教學(xué)樓的網(wǎng)絡(luò )條件；保留原照明開(kāi)關(guān)86型暗盒的位置，只有一根火線(xiàn)，無(wú)零線(xiàn)；一個(gè)教室遙控主機實(shí)現對多個(gè)照明開(kāi)關(guān)從機實(shí)施控制(一對多)，并且與別的教室遙控主機和開(kāi)關(guān)從機不發(fā)生沖突。

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

2 教室照明射頻遙控系統的硬件設計

2.1 射頻收發(fā)芯片nRF24E1的基本特性

nRF24E1是挪威Nordie Semiconductor公司推出的系統級射頻收發(fā)芯片，內部集成了增強型8051MCU內核、2.4 GHz射頻收發(fā)器、100 kSPS的9路模數轉換器、UART接口、SPI接口、PWM輸出；內置了RC振蕩器、看門(mén)狗和喚醒定時(shí)器以及專(zhuān)門(mén)的穩壓電路和VDD電壓監視；有多個(gè)頻點(diǎn)，能夠實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信，同時(shí)可通過(guò)改頻和跳頻來(lái)避免干擾；nRF24E1具有ShockBurstTM(突發(fā))工作方式，在nRF24E1內置的8051MCU與nRF2401射頻模塊之間進(jìn)行數據傳輸，保證了較低的數據傳輸速率(10 kb／s) 和較高的數據發(fā)送速率(可達1 Mb／s)，從而減少了系統功耗；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(xiàn)，室內可傳輸30米以上。故nRF24E1完全適合于教室照明射頻遙控系統的電路設計。

2.2 基于網(wǎng)絡(luò )供電的射頻遙控主機設計

多媒體教室照明射頻遙控系統主機安排在教學(xué)樓每一個(gè)多媒體教室的網(wǎng)絡(luò )末端，由符合IEEE 802.3af標準的網(wǎng)絡(luò )供電交換機提供智能電源，而以nRF24E1為主的系統則作為其低功耗無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)。主要由射頻收發(fā)芯片nRF24E1、網(wǎng)絡(luò )受電設備控制器LTC4267、通用的網(wǎng)口串口轉換器模塊、光耦4N25、基準電壓TLV431以及相應外圍電路組成，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(lái)網(wǎng)絡(luò )提供的電源，免除了為無(wú)線(xiàn)接人點(diǎn)另外提供電源而引起的布線(xiàn)困難，采用Linear公司推出符合IEEE 802.3af標準的LTC4267芯片設計網(wǎng)絡(luò )受電設備電路。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(guò)1、2、3、6數據線(xiàn)來(lái)傳送48 V(直流)電壓，另一種則是通過(guò)空閑線(xiàn)4、5、7、8來(lái)傳送48 V電壓，但在同一個(gè)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(gè)二極管電橋來(lái)自適應這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，負責從網(wǎng)絡(luò )上獲得電源；二是開(kāi)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(guò)外接MOS-FET管Si3440、開(kāi)關(guān)變壓器T2、光耦4N25等外圍電路，并通過(guò)基準電壓TLV431獲得3.3 V系統主機所需的電壓，從而將網(wǎng)絡(luò )上傳來(lái)的電源供給射頻收發(fā)主機系統。

網(wǎng)絡(luò )變壓器T1把網(wǎng)絡(luò )數據從電源分離出來(lái)后，送到網(wǎng)口串口轉換模塊(另有論文講述)，轉換為串口信號，通過(guò)接口RXD，TXD與nRF24E1內部的微控制器通信，或反方向傳遞信號，完成射頻遙控主機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與遠方的控制室計算機交互信息。這里的nRF24E1設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(lái)的工作狀態(tài)數據。

2.3 基于火線(xiàn)供電的射頻遙控從機設計

由圖1的主框圖可知，射頻遙控從機系統是串聯(lián)在照明燈頭插座的前端火線(xiàn)上，實(shí)際上以nRF24E1為主體的從機系統則成為一個(gè)控制照明的智能火線(xiàn)開(kāi)關(guān)，組成一個(gè)符合電工安全規范(即零線(xiàn)不入開(kāi)關(guān))的單線(xiàn)制射頻遙控開(kāi)關(guān)。主要由射頻收發(fā)芯片nRF24E1以及火線(xiàn)斷開(kāi)取電電路、火線(xiàn)合上取電電路等組成，其從機火線(xiàn)取電原理圖如圖3所示。