基于ｎＲＦ２４Ｅ１與網絡、火線的教室照明射頻遙控設計

摘 要：目前多媒體教室照明如何實現遠程控制，是值得進一步研究的課題。闡述了射頻收發芯片nRF24E1的基本特性，并以nRF24E1為主體實現了符合IEEE 802.3af標準的基于網絡受電設備射頻收發遙控主機，符合電工安全規范的基于火線單線制射頻收發遙控從機。分析了射頻遙控收發非標準協議數據通信和軟件設計流程，并論述了該系統在實際應用中的優勢。

關鍵詞：nRF24E1；火線；教室照明；射頻遙控

中圖分類號：TN836 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1510104

Design of Illumination RF Remote in the Classroom Based on nRF24E1 and Network Fire Wire

LU Yunlong，ZHANG Huiming，LEI Zhihua

(Modern Educational Technology Center，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan，430074，China)

Abstract：How to realize remote control in the multimedia classroom illumination should be currently worthy to be studied further.The basic characteristics of RF transceiver chip nRF24E1 is introduced，and the chip is used as main part to realize the RF transceiver remote master based on network powered device which fits the standard of IEEE 802.3af，the RF transceiver remote slave based on the fire wire of the single-wire system that accords with the electricial safety norm.For more，the data communication of the non-standard RF transceiver protocol and the process of soft design are also analyzed.Finally the advantage is discussed this system in physical application.

Keywords：nRF24E1;fire wire;classroom illumination;RF remote control

1 引 言

目前多媒體教室如涉及到對教室照明實施網絡遠程集成控制，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先考慮：能適應現有教學樓的網絡條件；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絡、教室內短程使用原照明開關86型暗盒的無線射頻解決方案，采用內置增強型51兼容的射頻系統芯片nRF24E1^［1］來實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則是系統無線收發中關鍵的器件。

2 教室照明射頻遙控系統的硬件設計

2.1 射頻收發芯片nRF24E1的基本特性^［1］

nRF24E1是挪威Nordic Semiconductor公司推出的系統級射頻收發芯片，內部集成了增強型8051MCU內核、2.4 GHz射頻收發器、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、看門狗和喚醒定時器以及專門的穩壓電路和VDD電壓監視；有多個頻點，能夠實現點對點、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ShockBurstTM(突發)工作方式，在nRF24E1內置的8051MCU與nRF2401射頻模塊之間進行數據傳輸，保證了較低的數據傳輸速率(10 kb/s)和較高的數據發送速率(可達1 Mb/s)，從而減少了系統功耗；發射模式下，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 基于網絡供電的射頻遙控主機設計^［3］

多媒體教室照明射頻遙控系統主機安排在教學樓每一個多媒體教室的網絡末端，由符合IEEE 802.3af標準的網絡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線接入點。主要由射頻收發芯片nRF24E1、網絡受電設備控制器 LTC4267、通用的網口串口轉換器模塊、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絡提供的電源，免除了為無線接入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芯片設計網絡受電設備電路。在網絡供電部分，網絡供電有2種模式：一種是通過1、2、3、6數據線來傳送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MOSFET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系統主機所需的電壓，從而將網絡上傳來的電源供給射頻收發主機系統。

網絡變壓器T1把網絡數據從電源分離出來后，送到網口串口轉換模塊(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，對從機發送指令，并接收從機發來的工作狀態數據。

2.3 基于火線供電的射頻遙控從機設計^［4］

由圖1的主框圖可知，射頻遙控從機系統是串聯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，市網電壓220 V剛來時，或者是微控制器發送關斷信號時，繼電器J1斷開，220 V交流電壓主要落在從機系統上。交流電壓經過D₃半波整流，R2承擔主要降壓，經Q₄與Q₅組成一個串聯型穩壓電源，提供6 V電壓。

當要求打開教室照明時，nRF24E1的內置微控制器P0.2提供開通信號，繼電器J1合上，使220 V市網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。此時從機系統的電源由IRL3803S來提供，而IRL3803S為大功率場效應管，其內置有的30 V單向穩壓二極管，既可為系統提供電源，也可為照明燈管提供通路。經D₁整流，Z₁，Z₂為不同的穩壓值，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，二為控制系統提供續流6 V穩壓電源。

從機系統在此環境情況下，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接收數據時發生混亂。圖2 網絡供電和主機射頻收發電路原理圖圖3 火線供電和從機射頻收發電路原理圖 此時的nRF24E1設置為從機模式，接受主機發來的指令，同時返回從機的工作狀態數據。火線開通或切斷由nRF24E1的P0.2來控制，開關工作狀態紅綠指示燈則由P0.5、P0.6提供。取樣電阻R₁端輸出③經整流濾波后，一方面作為模擬電壓送到nRF24E1的AIN0輸入端，經A/D轉換為數據Data。綠指示燈閃爍頻率f=Data * Pre(其中Pre為取樣取整參數，使f=0.5~16 Hz)，表示照明燈管的功率大小；另一面當照明燈管功率太大或有短路現象時，輸出③使Z4的1 V穩壓管擊穿，Q₁0飽和導通，Q8，Q9截止，J1切斷火線，同時Q₁1導通使P0.3/INT0N觸發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的軟件設計

3.1 系統射頻收發非標準協議數據通信

系統的主機和從機都工作在ShockBurst^TM方式，在nRF24E1內置的8051MCU與nRF2401射頻模塊之間進行數據傳輸，保證了較低的數據傳輸速率(10 kb/s)和較高的數據發送速率(可達1 Mb/s)，從而降低了功耗，節省了能量。無線收發器nRF2401有一個144 b的配置字，該配置字規定了射頻收發器的接收地址、收發頻率、發射功率、射頻傳輸速率、射頻收發模式以及CRC校驗和有效數據的長度。在同一時刻，射頻收發器只能處于接收或發射模式中的一種，一般以接收模式為待機狀態。要實現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據通信，需要對nRF24E1進行初始化，并根據實際情況進行配置設置。對每一個教室的射頻收發主機設置一個地址，同時存儲同一教室內所有照明開關射頻收發從機的地址，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，實現一對多的功能，控制數據通信幀格式如表1所示。

引導碼和效驗碼由nRF24E1自動加載，其他都由內置的微控制器程序產生。識別碼為本接收機代號，與其它的接收機區分開來。狀態字為一位，值為0時，表示后面的數據為命令字，反之為數據字。數據1…N根據實際情況設置字數。填充字表示本幀在不夠規定的長度時，填若干個0到達規定的幀長度(最大為255 B)。接收控制數據時，nRF24E1先接收一幀數據包，分別驗證引導碼、接收機地址和效驗碼正確后，再將有效負載數據送入微控制器處理；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，繼續處理后繼數據，否則放棄該數據包，并要求重發。當nRF24E1處于發射模式時，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生沖突，可用到跳頻技術。

3.2 主機從機射頻收發軟件流程

要實現上述控制數據幀通信功能，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。為了減少功耗，主機不工作時置nRF24E1于睡眠狀態。通過串口接收中斷，接收遠程計算機發來的控制指令，接著置nRF24E1為發射狀態，向從機發送控制數據，或通過射頻接收中斷，接收從機發來的工作狀態數據，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，采用中斷接收指令，隨需發送各自從機的工作狀態數據。由圖5可知，市網來電先使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數據，置nRF24E1為發射狀態，向本教室主機發送數據。

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模塊nRF24E1芯片高度集成的優點，節省了微控制器、存儲器等這樣的外設，并很容易構建新的通信協議數據幀，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范。同時，基于nRF24E1和網絡、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。

參 考 文 獻

［1］ nRF24E1 2.4 GHz RF Transceiver with Embedded 8051 Compatible Micro-controller and 9 Input，10 bit ADC .Product Specification，2004.

［2］高廓，田小建，田寧君.基于nRF24E1的多點無線溫濕度測量系統［J］.現代電子技術，2005，28(22):124-127.

［3］魏智.以太網供電技術簡介［J］.國外電子元器件，2005(7):76-78.

［4］瘳曉文.最新電工安全操作技術標準規范［M］.安徽:安徽文化音像出版社，2004.

作者簡介 陸云龍 男，1965年出生，工程師，本科學士。主要研究方向為多媒體教室設備

嵌入式集成控制、多媒體網絡教室遠程控制及軟件開發。

張會銘 男，1950年出生，工程師。主要研究方向為多媒體網絡教室遠程控制軟件開發。

雷志華 男，1953年出生，高級工程師。主要研究方向為現代教育技術裝備、多媒體網絡教室遠程控制及軟件開發。