基于nRF24E1与网络、火线的教室照明射频遥控设计

目前多媒体教室如涉及到对教室照明实施网络远程集成控制，一般都要改造原来基建时的布线，并重新走线，还要设立专门的电源控制组，改造代价确实高昂，所以，对其进行技术改造，有几个基本要求必须优先考虑：能适应现有教学楼的网络条件；保留原照明开关86型暗盒的位置，只有一根火线，无零线；一个教室遥控主机实现对多个照明开关从机实施控制(一对多)，并且与别的教室遥控主机和开关从机不发生冲突。

基于上面必须考虑的几个基本要求，提出一种教室外远程利用网络、教室内短程使用原照明开关86型暗盒的无线射频解决方案，采用内置增强型51兼容的射频系统芯片nRF24E1来实现为对多的多媒体教室照明射频遥控系统，图1为系统工作原理主框图。显然，网络供电、火线供电解决了实际电源布线的难题，而nRF24E1则是系统无线收发中关键的器件。

2 教室照明射频遥控系统的硬件设计

2.1 射频收发芯片nRF24E1的基本特性

nRF24E1是挪威Nordie Semiconductor公司推出的系统级射频收发芯片，内部集成了增强型8051MCU内核、2.4 GHz射频收发器、100 kSPS的9路模数转换器、UART接口、SPI接口、PWM输出；内置了RC振荡器、看门狗和唤醒定时器以及专门的稳压电路和VDD电压监视；有多个频点，能够实现点对点、点对多点的无线通信，同时可通过改频和跳频来避免干扰；nRF24E1具有ShockBurstTM(突发)工作方式，在nRF24E1内置的8051MCU与nRF2401射频模块之间进行数据传输，保证了较低的数据传输速率(10 kb／s) 和较高的数据发送速率(可达1 Mb／s)，从而减少了系统功耗；发射模式下，射频电流消耗仅为10.5 mA，接收模式下为18 mA；6 mm×6 mm的36引脚QFN封装，需要非常少的外围元器件；使用2.4 GHz小型杆状天线，室内可传输30米以上。故nRF24E1完全适合于教室照明射频遥控系统的电路设计。

2.2 基于网络供电的射频遥控主机设计

多媒体教室照明射频遥控系统主机安排在教学楼每一个多媒体教室的网络末端，由符合IEEE 802.3af标准的网络供电交换机提供智能电源，而以nRF24E1为主的系统则作为其低功耗无线接入点。主要由射频收发芯片nRF24E1、网络受电设备控制器LTC4267、通用的网口串口转换器模块、光耦4N25、基准电压TLV431以及相应外围电路组成，其主机的网络供电原理图如图2所示。

由图2可知，射频遥控主机的电源取自于外来网络提供的电源，免除了为无线接人点另外提供电源而引起的布线困难，采用Linear公司推出符合IEEE 802.3af标准的LTC4267芯片设计网络受电设备电路。在网络供电部分，网络供电有2种模式：一种是通过1、2、3、6数据线来传送48 V(直流)电压，另一种则是通过空闲线4、5、7、8来传送48 V电压，但在同一个网络里只存在一种供电模式，因此在LTC4267芯片前级电路中安排了2个二极管电桥来自适应这2种模式。

将网络的48 V电压接到LTC4267芯片上后，芯片有两重功能：一是受电电源控制器，负责从网络上获得电源；二是开关电源，将获得的48 V电压变压到所需要的电压，能提供最大13 W的功率。通过外接MOS-FET管Si3440、开关变压器T2、光耦4N25等外围电路，并通过基准电压TLV431获得3.3 V系统主机所需的电压，从而将网络上传来的电源供给射频收发主机系统。

网络变压器T1把网络数据从电源分离出来后，送到网口串口转换模块(另有论文讲述)，转换为串口信号，通过接口RXD，TXD与nRF24E1内部的微控制器通信，或反方向传递信号，完成射频遥控主机通过网络与远方的控制室计算机交互信息。这里的nRF24E1设置为射频遥控主机模式，对从机发送指令，并接收从机发来的工作状态数据。

2.3 基于火线供电的射频遥控从机设计

由图1的主框图可知，射频遥控从机系统是串联在照明灯头插座的前端火线上，实际上以nRF24E1为主体的从机系统则成为一个控制照明的智能火线开关，组成一个符合电工安全规范(即零线不入开关)的单线制射频遥控开关。主要由射频收发芯片nRF24E1以及火线断开取电电路、火线合上取电电路等组成，其从机火线取电原理图如图3所示。

由图3右边可知，市网电压220 V刚来时，或者是微控制器发送关断信号时，继电器J1断开，220 V交流电压主要落在从机系统上。交流电压经过D3半波整流，R2承担主要降压，经Q4与Q5组成一个串联型稳压电源，提供6 V电压。

当要求打开教室照明时，nRF24E1的内置微控制器P0.2提供开通信号，继电器J1合上，使220 V市网电压主要落在照明灯管上(如图3所示的粗线条)，不影响照明灯管的正常工作。此时从机系统的电源由IRL3803S来提供，而IRL3803S为大功率场效应管，其内置有的30 V单向稳压二极管，既可为系统提供电源，也可为照明灯管提供通路。经D1整流，Z1，Z2为不同的稳压值，Q1，Q2，Q3配合下组成不同的控制信号，使IRL3803S导通或断开，一为负载提供通路，二为控制系统提供续流6 V稳压电源。

从机系统在此环境情况下，不建议使用开关电源。因开关电源电路复杂，输出电压波纹系数大，电路干扰大，在86型暗合空间里不易设计抗干扰电路，而且容易使nRF24E1接收数据时发生混乱。

此时的nRF24E1设置为从机模式，接受主机发来的指令，同时返回从机的工作状态数据。火线开通或切断由nRF24E1的P0.2来控制，开关工作状态红绿指示灯则由P0.5、P0.6提供。取样电阻R1端输出③经整流滤波后，一方面作为模拟电压送到nRF24E1的AIN0输入端，经A／D转换为数据Data。绿指示灯闪烁频率f=Data*Pre(其中Pre为取样取整参数，使f=0～16 Hz)，表示照明灯管的功率大小；另一面当照明灯管功率太大或有短路现象时，输出③使Z4的1 V稳压管击穿，Q10饱和导通，Q8，Q9截止，J1切断火线，同时Q11导通使P0.3／INT0_N触发INT0中断，P0.7输出1 kHz方波通过Q6放大使蜂鸣器报警，绿指示灯灭，红指示灯以16 Hz(最高)闪烁。

K1为具有自动弹起功能的开关面板，保留原机械开关的手动功能，决定继电器J1开通或断开。

3 教室照明射频遥控系统的软件设计

3.1 系统射频收发非标准协议数据通信

系统的主机和从机都工作在ShockBurstTM方式，在nRF24E1内置的8051MCU与nRF2401射频模块之间进行数据传输，保证了较低的数据传输速率(10 kb／s)和较高的数据发送速率(可达1 Mb／s)，从而降低了功耗，节省了能量。无线收发器nRF2401有一个144 b的配置字，该配置字规定了射频收发器的接收地址、收发频率、发射功率、射频传输速率、射频收发模式以及CRC校验和有效数据的长度。在同一时刻，射频收发器只能处于接收或发射模式中的一种，一般以接收模式为待机状态。要实现多媒体教室照明射频遥控，就必须完成遥控器主机和开关面板终端从机之间的射频数据通信，需要对nRF24E1进行初始化，并根据实际情况进行配置设置。对每一个教室的射频收发主机设置一个地址，同时存储同一教室内所有照明开关射频收发从机的地址，成立一个地址查找表；每一个照明开关射频收发从机都设立一个惟一的地址，并与主机的地址查找表一一对应。对每一个射频遥控主机从机的通信帧格式进行定义，实现一对多的功能，控制数据通信帧格式如表1所示。

引导码和效验码由nRF24E1自动加载，其他都由内置的微控制器程序产生。识别码为本接收机代号，与其它的接收机区分开来。状态字为一位，值为0时，表示后面的数据为命令字，反之为数据字。数据1…N根据实际情况设置字数。填充字表示本帧在不够规定的长度时，填若干个0到达规定的帧长度(最大为255 B)。接收控制数据时，nRF24E1先接收一帧数据包，分别验证引导码、接收机地址和效验码正确后，再将有效负载数据送入微控制器处理；当微处理器判断有效负载中的识别码和本机识别码号一致时，继续处理后继数据，否则放弃该数据包，并要求重发。当nRF24E1处于发射模式时，接收机地址和有效负载由微控制器按顺序送入射频模块nRF24E1，引导码和效验码由nRF24E1自动加载。由于系统要设计一机对多机的通信，为了不与相邻教室或邻近的干扰信号发生冲突，可用到跳频技术。

3.2 主机从机射频收发软件流程

要实现上述控制数据帧通信功能，需要对主机和从机的nRF24E1进行初始化配置和用户程序设计，射频收发主机、从机程序流程图如图4、图5所示。

由图4可知，主机nRF24E1得到网络电源初始化后，打开串口接收中断和射频接收中断，然后置nRF24E1为接收状态。为了减少功耗，主机不工作时置nRF24E1于睡眠状态。通过串口接收中断，接收远程计算机发来的控制指令，接着置nRF24E1为发射状态，向从机发送控制数据，或通过射频接收中断，接收从机发来的工作状态数据，然后转交给远程计算机。

与主机一样，为减少功耗，所有照明开关从机nRF24E1不工作时，都置电路于睡眠状态，采用中断接收指令，随需发送各自从机的工作状态数据。由图5可知，市网来电先使nRF24E1配置初始化，打开射频接收中断，并使nRF24E1进入睡眠。如收到主机指令，或面板开关K1有所动作，nRF24E1退出睡眠，根据指令或K1的要求，断开或合上继电器，即点亮或关闭教室照明灯管。然后读开关相应的工作状态数据，置nRF24E1为发射状态，向本教室主机发送数据。

4 结 语

在多媒体教室照明的集成控制设计过程中，充分考虑到了射频收发模块nRF24E1芯片高度集成的优点，节省了微控制器、存储器等这样的外设，并很容易构建新的通信协议数据帧，能使其应用于点对多点射频控制终端。硬件上选择符合IEEE 802.3af标准的网络受电设备器件，并选择符合照明电器负载的功率器件，使得设计射频遥控照明开关适合零线不入开关的电工安全规范。同时，基于nRF24E1和网络、火线的遥控控制有更多的用途，在不易布线而且又要多点远程控制地方，就是应用此种技术。