《基于ｎＲＦ２４Ｅ１与网络、火线的教室照明射频遥控设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ｎＲＦ２４Ｅ１与网络、火线的教室照明射频遥控设计.docx（10页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、基于与网络、火线的教室照明射频遥控设计 摘 要：目前多媒体教室照明如何实现远程限制，是值得进一步探讨的课题。阐述了射频收发芯片nRF24E1的基本特性，并以nRF24E1为主体实现了符合IEEE 802.3af标准的基于网络受电设备射频收发遥控主机,符合电工平安规范的基于火线单线制射频收发遥控从机。分析了射频遥控收发非标准协议数据通信和软件设计流程,并论述了该系统在实际应用中的优势。 关键词：nRF24E1；火线；教室照明；射频遥控 中图分类号：TN836 文献标识码：B 文章编号：1014373X(2022)1510104 Design of Illumination RF Remote i
2、n 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 worth
3、y 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
4、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;clas
5、sroom illumination;RF remote control 1 引 言 目前多媒体教室如涉及到对教室照明实施网络远程集成限制，一般都要改造原来基建时的布线，并重新走线，还要设立特地的电源限制组，改造代价的确昂扬,所以，对其进行技术改造，有几个基本要求必需优先考虑：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限制(一对多)，并且与别的教室遥控主机和开关从机不发生冲突。 基于上面必需考虑的几个基本要求，提出一种教室外远程利用网络、教室内短程运用原照明开关86型暗盒的无线射频解决方案，采纳内置增加型51兼容
6、的射频系统芯片nRF24E11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。明显，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1 nRF24E1是挪威Nordic Semiconductor公司推出的系统级射频收发芯片，内部集成了增加型8051MCU内核、2.4 GHz射频收发器、101 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特地的稳压电路和VDD电压监视；有多个频点，能够实现点对
7、点、点对多点的无线通信，同时可通过改频和跳频来避开干扰；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)，从而削减了系统功耗；放射模式下，射频电流消耗仅为10.5 mA，接收模式下为18 mA；6 mm6 mm的36引脚QFN封装，须要特别少的外围元器件;运用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3 多媒体教室照明射
8、频遥控系统主机支配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供应智能电源，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、网络受电设备限制器 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供应的电源，免除了为无线接入点另外供应电源而引起的布线困难,采纳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
9、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芯片前级电路中支配了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：一是受电电源限制器，负责从网络上获得电源；二是开关电源，将获得的48 V电压变压到所须要的电压,能供应最大13 W的功率。通过外接MOSFET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应射频收发主机系统。 网络变压器
10、T1把网络数据从电源分别出来后，送到网口串口转换模块(另有论文讲解并描述)，转换为串口信号，通过接口RXD,TXD与nRF24E1内部的微限制器通信，或反方向传递信号，完成射频遥控主机通过网络与远方的限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4 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，事实上以nRF24E1为主体的从机系统则成为一个限制照明的智能火线开关,组成一个符合电工平安规范(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
11、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，或者是微限制器发送关断信号时，继电器J1断开，220 V沟通电压主要落在从机系统上。沟通电压经过D3半波整流，R2担当主要降压，经Q4与Q5组成一个串联型稳压电源，供应6 V电压。 当要求打开教室照明时，nRF24E1的内置微限制器P0.2供应开通信号，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来供应，而IRL3803S为大功率场效应管，其内置有的30 V单向稳压二极管，既可为系统供
12、应电源，也可为照明灯管供应通路。经D1整流，Z1，Z2为不同的稳压值，Q1，Q2，Q3协作下组成不同的限制信号，使IRL3803S导通或断开，一为负载供应通路，二为限制系统供应续流6 V稳压电源。 从机系统在此环境状况下，不建议运用开关电源。因开关电源电路困难，输出电压水纹系数大，电路干扰大，在86型暗合空间里不易设计抗干扰电路，而且简单使nRF24E1接收数据时发生混乱。图2 网络供电和主机射频收发电路原理图图3 火线供电和从机射频收发电路原理图 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来限制，开关工作状态红
13、绿指示灯则由P0.5、P0.6供应。取样电阻R1端输出经整流滤波后，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。绿指示灯闪耀频率f=Data * Pre(其中Pre为取样取整参数，使f=0.516 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/INT0N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)闪耀。 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，确
14、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，节约了能量。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、放射功率、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放射模式中的一种，一般以接收模式为待机状态。要实现多媒
15、体教室照明射频遥控，就必需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，须要对nRF24E1进行初始化，并依据实际状况进行配置设置。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全部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，限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，其他都由内置的微限制器程序产生。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，表示后面的数据为吩咐字，反之为数据字
16、。数据1N依据实际状况设置字数。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)。接收限制数据时，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限制器处理；当微处理器推断有效负载中的识别码和本机识别码号一样时，接着处理后继数据，否则放弃该数据包，并要求重发。当nRF24E1处于放射模式时，接收机地址和有效负载由微限制器按依次送入射频模块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
17、 要实现上述限制数据帧通信功能，须要对主机和从机的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。为了削减功耗，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限制指令，接着置nRF24E1为放射状态，向从机发送限制数据,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，为削减功耗，全部照明开关从机nRF24E1不工作时，都置电路于睡眠状态，采纳中断接收指令，随需发送各自从
18、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，依据指令或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为放射状态，向本教室主机发送数据。 4 结 语 在多媒体教室照明的集成限制设计过程中，充分考虑到了射频收发模块nRF24E1芯片高度集成的优点，节约了微限制器、存储器等这样的外设，并很简单构建新的通信协议数据帧，能使其应用于点对多点射频限制终端。硬件上选择符合IEEE 802.3af标准的网络受电设备器件，并
19、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平安规范。同时，基于nRF24E1和网络、火线的遥控限制有更多的用途，在不易布线而且又要多点远程限制地方，就是应用此种技术。 参 考 文 献 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,田宁君.基于nRF24E1的多点无线温湿度测量系统J.现代电子技术,2022,28(22):124-
20、127. 3魏智.以太网供电技术简介J.国外电子元器件,2022(7):76-78. 4瘳晓文.最新电工平安操作技术标准规范M.安徽:安徽文化音像出版社,2004. 作者简介 陆云龙 男，1965年诞生，工程师，本科学士。主要探讨方向为多媒体教室设备 嵌入式集成限制、多媒体网络教室远程限制及软件开发。 张会铭 男，1950年诞生，工程师。主要探讨方向为多媒体网络教室远程限制软件开发。 雷志华 男，1953年诞生，高级工程师。主要探讨方向为现代教化技术装备、多媒体网络教室远程限制及软件开发。 第10页 共10页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页