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[導讀]在多媒體教室照明的集成控制設計過程中,充分考慮到了射頻收發(fā)模塊nRF24E1芯片高度集成的優(yōu)點,節(jié)省了微控制器、存儲器等這樣的外設,并很容易構建新的通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀,能使其應用于點對多點射頻控制終端。硬件上選擇符合IEEE 802.3af標準的網(wǎng)絡受電設備器件,并選擇符合照明電器負載的功率器件,使得設計射頻遙控照明開關適合零線不入開關的電工安全規(guī)范。同時,基于nRF24E1和網(wǎng)絡、火線的遙控控制有更多的用途,在不易布線而且又要多點遠程控制地方,就是應用此種技術。

1 引 言

目前多媒體教室如涉及到對教室照明實施網(wǎng)絡遠程集成控制,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,對其進行技術改造,有幾個基本要求必須優(yōu)先考慮:能適應現(xiàn)有教學樓的網(wǎng)絡條件;保留原照明開關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)對多個照明開關從機實施控制(一對多),并且與別的教室遙控主機和開關從機不發(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、教室內(nèi)短程使用原照明開關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)中關鍵的器件。

2 教室照明射頻遙控系統(tǒng)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(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,能夠實現(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)的電路設計。

2.2 基于網(wǎng)絡供電的射頻遙控主機設計

多媒體教室照明射頻遙控系統(tǒng)主機安排在教學樓每一個多媒體教室的網(wǎng)絡末端,由符合IEEE 802.3af標準的網(wǎng)絡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標準的LTC4267芯片設計網(wǎng)絡受電設備電路。在網(wǎng)絡供電部分,網(wǎng)絡供電有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這2種模式。

將網(wǎng)絡的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)絡上獲得電源;二是開關電源,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、開關變壓器T2、光耦4N25等外圍電路,并通過基準電壓TLV431獲得3.3 V系統(tǒng)主機所需的電壓,從而將網(wǎng)絡上傳來的電源供給射頻收發(fā)主機系統(tǒng)。

網(wǎng)絡變壓器T1把網(wǎng)絡數(shù)據(jù)從電源分離出來后,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,組成一個符合電工安全規(guī)范(即零線不入開關)的單線制射頻遙控開關。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。

由圖3右邊可知,市網(wǎng)電壓220 V剛來時,或者是微控制器發(fā)送關斷信號時,繼電器J1斷開,220 V交流電壓主要落在從機系統(tǒng)上。交流電壓經(jīng)過D3半波整流,R2承擔主要降壓,經(jīng)Q4與Q5組成一個串聯(lián)型穩(wěn)壓電源,提供6 V電壓。

當要求打開教室照明時,nRF24E1的內(nèi)置微控制器P0.2提供開通信號,繼電器J1合上,使220 V市網(wǎng)電壓主要落在照明燈管上(如圖3所示的粗線條),不影響照明燈管的正常工作。此時從機系統(tǒng)的電源由IRL3803S來提供,而IRL3803S為大功率場效應管,其內(nèi)置有的30 V單向穩(wěn)壓二極管,既可為系統(tǒng)提供電源,也可為照明燈管提供通路。經(jīng)D1整流,Z1,Z2為不同的穩(wěn)壓值,Q1,Q2,Q3配合下組成不同的控制信號,使IRL3803S導通或斷開,一為負載提供通路,二為控制系統(tǒng)提供續(xù)流6 V穩(wěn)壓電源。

從機系統(tǒng)在此環(huán)境情況下,不建議使用開關電源。因開關電源電路復雜,輸出電壓波紋系數(shù)大,電路干擾大,在86型暗合空間里不易設計抗干擾電路,而且容易使nRF24E1接收數(shù)據(jù)時發(fā)生混亂。

此時的nRF24E1設置為從機模式,接受主機發(fā)來的指令,同時返回從機的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)?;鹁€開通或切斷由nRF24E1的P0.2來控制,開關工作狀態(tài)紅綠指示燈則由P0.5、P0.6提供。取樣電阻R1端輸出③經(jīng)整流濾波后,一方面作為模擬電壓送到nRF24E1的AIN0輸入端,經(jīng)A/D轉換為數(shù)據(jù)Data。綠指示燈閃爍頻率f=Data*Pre(其中Pre為取樣取整參數(shù),使f=0~16 Hz),表示照明燈管的功率大??;另一面當照明燈管功率太大或有短路現(xiàn)象時,輸出③使Z4的1 V穩(wěn)壓管擊穿,Q10飽和導通,Q8,Q9截止,J1切斷火線,同時Q11導通使P0.3/INT0_N觸發(fā)INT0中斷,P0.7輸出1 kHz方波通過Q6放大使蜂鳴器報警,綠指示燈滅,紅指示燈以16 Hz(最高)閃爍。

K1為具有自動彈起功能的開關面板,保留原機械開關的手動功能,決定繼電器J1開通或斷開。

3 教室照明射頻遙控系統(tǒng)的軟件設計

3.1 系統(tǒng)射頻收發(fā)非標準協(xié)議數(shù)據(jù)通信

系統(tǒng)的主機和從機都工作在ShockBurstTM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),從而降低了功耗,節(jié)省了能量。無線收發(fā)器nRF2401有一個144 b的配置字,該配置字規(guī)定了射頻收發(fā)器的接收地址、收發(fā)頻率、發(fā)射功率、射頻傳輸速率、射頻收發(fā)模式以及CRC校驗和有效數(shù)據(jù)的長度。在同一時刻,射頻收發(fā)器只能處于接收或發(fā)射模式中的一種,一般以接收模式為待機狀態(tài)。要實現(xiàn)多媒體教室照明射頻遙控,就必須完成遙控器主機和開關面板終端從機之間的射頻數(shù)據(jù)通信,需要對nRF24E1進行初始化,并根據(jù)實際情況進行配置設置。對每一個教室的射頻收發(fā)主機設置一個地址,同時存儲同一教室內(nèi)所有照明開關射頻收發(fā)從機的地址,成立一個地址查找表;每一個照明開關射頻收發(fā)從機都設立一個惟一的地址,并與主機的地址查找表一一對應。對每一個射頻遙控主機從機的通信幀格式進行定義,實現(xiàn)一對多的功能,控制數(shù)據(jù)通信幀格式如表1所示。

引導碼和效驗碼由nRF24E1自動加載,其他都由內(nèi)置的微控制器程序產(chǎn)生。識別碼為本接收機代號,與其它的接收機區(qū)分開來。狀態(tài)字為一位,值為0時,表示后面的數(shù)據(jù)為命令字,反之為數(shù)據(jù)字。數(shù)據(jù)1…N根據(jù)實際情況設置字數(shù)。填充字表示本幀在不夠規(guī)定的長度時,填若干個0到達規(guī)定的幀長度(最大為255 B)。接收控制數(shù)據(jù)時,nRF24E1先接收一幀數(shù)據(jù)包,分別驗證引導碼、接收機地址和效驗碼正確后,再將有效負載數(shù)據(jù)送入微控制器處理;當微處理器判斷有效負載中的識別碼和本機識別碼號一致時,繼續(xù)處理后繼數(shù)據(jù),否則放棄該數(shù)據(jù)包,并要求重發(fā)。當nRF24E1處于發(fā)射模式時,接收機地址和有效負載由微控制器按順序送入射頻模塊nRF24E1,引導碼和效驗碼由nRF24E1自動加載。由于系統(tǒng)要設計一機對多機的通信,為了不與相鄰教室或鄰近的干擾信號發(fā)生沖突,可用到跳頻技術。

3.2 主機從機射頻收發(fā)軟件流程

要實現(xiàn)上述控制數(shù)據(jù)幀通信功能,需要對主機和從機的nRF24E1進行初始化配置和用戶程序設計,射頻收發(fā)主機、從機程序流程圖如圖4、圖5所示。

由圖4可知,主機nRF24E1得到網(wǎng)絡電源初始化后,打開串口接收中斷和射頻接收中斷,然后置nRF24E1為接收狀態(tài)。為了減少功耗,主機不工作時置nRF24E1于睡眠狀態(tài)。通過串口接收中斷,接收遠程計算機發(fā)來的控制指令,接著置nRF24E1為發(fā)射狀態(tài),向從機發(fā)送控制數(shù)據(jù),或通過射頻接收中斷,接收從機發(fā)來的工作狀態(tài)數(shù)據(jù),然后轉交給遠程計算機。

與主機一樣,為減少功耗,所有照明開關從機nRF24E1不工作時,都置電路于睡眠狀態(tài),采用中斷接收指令,隨需發(fā)送各自從機的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。由圖5可知,市網(wǎng)來電先使nRF24E1配置初始化,打開射頻接收中斷,并使nRF24E1進入睡眠。如收到主機指令,或面板開關K1有所動作,nRF24E1退出睡眠,根據(jù)指令或K1的要求,斷開或合上繼電器,即點亮或關閉教室照明燈管。然后讀開關相應的工作狀態(tài)數(shù)據(jù),置nRF24E1為發(fā)射狀態(tài),向本教室主機發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 結 語

在多媒體教室照明的集成控制設計過程中,充分考慮到了射頻收發(fā)模塊nRF24E1芯片高度集成的優(yōu)點,節(jié)省了微控制器、存儲器等這樣的外設,并很容易構建新的通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀,能使其應用于點對多點射頻控制終端。硬件上選擇符合IEEE 802.3af標準的網(wǎng)絡受電設備器件,并選擇符合照明電器負載的功率器件,使得設計射頻遙控照明開關適合零線不入開關的電工安全規(guī)范。同時,基于nRF24E1和網(wǎng)絡、火線的遙控控制有更多的用途,在不易布線而且又要多點遠程控制地方,就是應用此種技術。

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