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。