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

目前多媒體教室如涉及到對(duì)教室照明實(shí)施網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程集成控制，一般都要改造原來基建時(shí)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(jià)確實(shí)高昂，所以，對(duì)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(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(gè)教室遙控主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)照明開關(guān)從機(jī)實(shí)施控制(一對(duì)多)，并且與別的教室遙控主機(jī)和開關(guān)從機(jī)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(yuǎn)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(qiáng)型51兼容的射頻系統(tǒng)芯片nRF24E1來實(shí)現(xiàn)為對(duì)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(shí)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(jì)

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(jí)射頻收發(fā)芯片，內(nèi)部集成了增強(qiáng)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(shí)器以及專門的穩(wěn)壓電路和VDD電壓監(jiān)視；有多個(gè)頻點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線通信，同時(shí)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(jìn)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(dá)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(jì)。

2.2 基于網(wǎng)絡(luò)供電的射頻遙控主機(jī)設(shè)計(jì)

多媒體教室照明射頻遙控系統(tǒng)主機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)供電交換機(jī)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(diǎn)。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(jī)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(jī)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(diǎn)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(jì)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(gè)網(wǎng)絡(luò)里只存在一種供電模式，因此在LTC4267芯片前級(jí)電路中安排了2個(gè)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(jī)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(jī)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(hào)，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(hào)，完成射頻遙控主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)方的控制室計(jì)算機(jī)交互信息。這里的nRF24E1設(shè)置為射頻遙控主機(jī)模式，對(duì)從機(jī)發(fā)送指令，并接收從機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)

由圖1的主框圖可知，射頻遙控從機(jī)系統(tǒng)是串聯(lián)在照明燈頭插座的前端火線上，實(shí)際上以nRF24E1為主體的從機(jī)系統(tǒng)則成為一個(gè)控制照明的智能火線開關(guān)，組成一個(gè)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(jī)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(shí)，或者是微控制器發(fā)送關(guān)斷信號(hào)時(shí)，繼電器J1斷開，220 V交流電壓主要落在從機(jī)系統(tǒng)上。交流電壓經(jīng)過D3半波整流，R2承擔(dān)主要降壓，經(jīng)Q4與Q5組成一個(gè)串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，提供6 V電壓。

當(dāng)要求打開教室照明時(shí)，nRF24E1的內(nèi)置微控制器P0.2提供開通信號(hào)，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(shí)從機(jī)系統(tǒng)的電源由IRL3803S來提供，而IRL3803S為大功率場(chǎng)效應(yīng)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(hào)，使IRL3803S導(dǎo)通或斷開，一為負(fù)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(jī)系統(tǒng)在此環(huán)境情況下，不建議使用開關(guān)電源。因開關(guān)電源電路復(fù)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(shè)計(jì)抗干擾電路，而且容易使nRF24E1接收數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生混亂。

此時(shí)的nRF24E1設(shè)置為從機(jī)模式，接受主機(jī)發(fā)來的指令，同時(shí)返回從機(jī)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(guān)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(zhuǎn)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(dāng)照明燈管功率太大或有短路現(xiàn)象時(shí)，輸出③使Z4的1 V穩(wěn)壓管擊穿，Q10飽和導(dǎo)通，Q8，Q9截止，J1切斷火線，同時(shí)Q11導(dǎo)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(bào)警，綠指示燈滅，紅指示燈以16 Hz(最高)閃爍。

K1為具有自動(dòng)彈起功能的開關(guān)面板，保留原機(jī)械開關(guān)的手動(dòng)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(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)射頻收發(fā)非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)通信

系統(tǒng)的主機(jī)和從機(jī)都工作在ShockBurstTM方式，在nRF24E1內(nèi)置的8051MCU與nRF2401射頻模塊之間進(jìn)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(dá)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(gè)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(yàn)和有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。在同一時(shí)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(jī)狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)多媒體教室照明射頻遙控，就必須完成遙控器主機(jī)和開關(guān)面板終端從機(jī)之間的射頻數(shù)據(jù)通信，需要對(duì)nRF24E1進(jìn)行初始化，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置設(shè)置。對(duì)每一個(gè)教室的射頻收發(fā)主機(jī)設(shè)置一個(gè)地址，同時(shí)存儲(chǔ)同一教室內(nèi)所有照明開關(guān)射頻收發(fā)從機(jī)的地址，成立一個(gè)地址查找表；每一個(gè)照明開關(guān)射頻收發(fā)從機(jī)都設(shè)立一個(gè)惟一的地址，并與主機(jī)的地址查找表一一對(duì)應(yīng)。對(duì)每一個(gè)射頻遙控主機(jī)從機(jī)的通信幀格式進(jìn)行定義，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的功能，控制數(shù)據(jù)通信幀格式如表1所示。

引導(dǎo)碼和效驗(yàn)碼由nRF24E1自動(dòng)加載，其他都由內(nèi)置的微控制器程序產(chǎn)生。識(shí)別碼為本接收機(jī)代號(hào)，與其它的接收機(jī)區(qū)分開來。狀態(tài)字為一位，值為0時(shí)，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(shí)際情況設(shè)置字?jǐn)?shù)。填充字表示本幀在不夠規(guī)定的長(zhǎng)度時(shí)，填若干個(gè)0到達(dá)規(guī)定的幀長(zhǎng)度(最大為255 B)。接收控制數(shù)據(jù)時(shí)，nRF24E1先接收一幀數(shù)據(jù)包，分別驗(yàn)證引導(dǎo)碼、接收機(jī)地址和效驗(yàn)碼正確后，再將有效負(fù)載數(shù)據(jù)送入微控制器處理；當(dāng)微處理器判斷有效負(fù)載中的識(shí)別碼和本機(jī)識(shí)別碼號(hào)一致時(shí)，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(dāng)nRF24E1處于發(fā)射模式時(shí)，接收機(jī)地址和有效負(fù)載由微控制器按順序送入射頻模塊nRF24E1，引導(dǎo)碼和效驗(yàn)碼由nRF24E1自動(dòng)加載。由于系統(tǒng)要設(shè)計(jì)一機(jī)對(duì)多機(jī)的通信，為了不與相鄰教室或鄰近的干擾信號(hào)發(fā)生沖突，可用到跳頻技術(shù)。

3.2 主機(jī)從機(jī)射頻收發(fā)軟件流程

要實(shí)現(xiàn)上述控制數(shù)據(jù)幀通信功能，需要對(duì)主機(jī)和從機(jī)的nRF24E1進(jìn)行初始化配置和用戶程序設(shè)計(jì)，射頻收發(fā)主機(jī)、從機(jī)程序流程圖如圖4、圖5所示。

由圖4可知，主機(jī)nRF24E1得到網(wǎng)絡(luò)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(jī)不工作時(shí)置nRF24E1于睡眠狀態(tài)。通過串口接收中斷，接收遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)發(fā)來的控制指令，接著置nRF24E1為發(fā)射狀態(tài)，向從機(jī)發(fā)送控制數(shù)據(jù)，或通過射頻接收中斷，接收從機(jī)發(fā)來的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)交給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。

與主機(jī)一樣，為減少功耗，所有照明開關(guān)從機(jī)nRF24E1不工作時(shí)，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(jī)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(jìn)入睡眠。如收到主機(jī)指令，或面板開關(guān)K1有所動(dòng)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(diǎn)亮或關(guān)閉教室照明燈管。然后讀開關(guān)相應(yīng)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(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

在多媒體教室照明的集成控制設(shè)計(jì)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(diǎn)，節(jié)省了微控制器、存儲(chǔ)器等這樣的外設(shè)，并很容易構(gòu)建新的通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀，能使其應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)射頻控制終端。硬件上選擇符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)受電設(shè)備器件，并選擇符合照明電器負(fù)載的功率器件，使得設(shè)計(jì)射頻遙控照明開關(guān)適合零線不入開關(guān)的電工安全規(guī)范。同時(shí)，基于nRF24E1和網(wǎng)絡(luò)、火線的遙控控制有更多的用途，在不易布線而且又要多點(diǎn)遠(yuǎn)程控制地方，就是應(yīng)用此種技術(shù)。