基于nRF2401智能小區無(wú)線(xiàn)抄表系統集中器設計

摘要：采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，構建了一種無(wú)線(xiàn)抄表系統，設計了基于nRF2401的無(wú)線(xiàn)通信的集中器。該集中器避免了長(cháng)距離布線(xiàn)和復雜的線(xiàn)路干擾，具有結構簡(jiǎn)單、工作可靠、經(jīng)濟實(shí)用等特點(diǎn).
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)抄表系統；集中器；nRF2401；智能小區

　　隨著(zhù)電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，各個(gè)行業(yè)的自動(dòng)化進(jìn)程正在逐漸加快，以至于在自動(dòng)抄表中對數據采集的實(shí)時(shí)性、可靠性、信息量提出了更高的要求。目前的抄表系統主要有：有線(xiàn)抄表系統，掌上抄表系統和無(wú)線(xiàn)抄表系統.其中有線(xiàn)抄表系統增加了綜合布線(xiàn)的費用和難度，降低了系統的應用靈活性，限制了有線(xiàn)抄表系統的推廣和應用。掌上抄表系統需抄表部門(mén)用掌上抄表器抄取數據，因此降低了自動(dòng)化程度。無(wú)線(xiàn)抄表系統采用無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備傳輸數據，不需專(zhuān)門(mén)架線(xiàn)，系統結構簡(jiǎn)單，節省了人力和物力，相對有線(xiàn)抄表系統和掌上抄表系統有著(zhù)更大的優(yōu)勢。本文提出了一種基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的無(wú)線(xiàn)抄表系統，重點(diǎn)研究了基于nRF2401的無(wú)線(xiàn)通信的集中器的設計，通過(guò)該集中器可以實(shí)現采集數據快速、可靠的傳遞。

無(wú)線(xiàn)抄表系統方案

　　智能小區無(wú)線(xiàn)抄表系統主要由三表數據采集終端、集中器和物業(yè)中心的計算機組成。三表數據采集終端和集中器（下層），集中器和物業(yè)中心（上層）的計算機均采用星型結構。智能小區無(wú)線(xiàn)抄表系統結構如圖1所示。

圖1智能小區無(wú)線(xiàn)抄表系統結構圖

　　上層通過(guò)以nRF2401無(wú)線(xiàn)通信模塊與分散在小區內各棟樓內集中器上的nRF2401無(wú)線(xiàn)通信模塊相連接，形成1對多的連接形式，實(shí)現集中器和小區物業(yè)中心的計算機的實(shí)時(shí)在線(xiàn)連接。下層通信包括集中器通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式對三表數據的采集、存儲、轉發(fā),以及轉發(fā)上位機下達的指令和對三表進(jìn)行控制操作等。集中器是整個(gè)無(wú)線(xiàn)抄表系統的通信橋梁，它的工作情況決定了系統的可靠性和穩定性，其實(shí)現功能有：每個(gè)月按約定時(shí)間循環(huán)查詢(xún)終端三表的數據，并把采集到的數據進(jìn)行累加保存起來(lái)；當接收到物業(yè)中心的計算機發(fā)布的采集命令后，立即打包數據并傳送；也可主動(dòng)向物業(yè)中心的計算機發(fā)送數據、報告緊急情況等。

集中器硬件設計

　　在無(wú)線(xiàn)抄表系統中，集中器處于信息傳遞通路的中間位置，該系統中的集中器采用無(wú)線(xiàn)方式傳輸數據，是整個(gè)系統的核心。無(wú)線(xiàn)數據集中器主要有無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊nRF2401、外部存儲單元、本地通信接口、微處理器（MCU）和電源模塊等組成。數據集中器硬件結構框圖如圖2所示，數據集中器電路原理圖如圖3所示。

圖2數據集中器硬件結構框圖

圖3 數據集中器電路原理圖

　　考慮到無(wú)線(xiàn)數據集中器的低功耗、經(jīng)濟高效、性能穩定、接口電路簡(jiǎn)單和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，因此選擇合適的電路芯片也至關(guān)重要。

無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊nRF2401

　　nRF2401是挪威 Nordic公司的單片2.4GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)一體芯片。它將射頻、8051MCU、9通道12位ADC、外圍元件、電感和濾波器全部集成到單芯片中，并采用2.4GHz頻帶和0.18μm工藝，可提供ShockBurst、 DuoCeiver、片上CRC以及地址計算編碼等功能。nRF2401無(wú)線(xiàn)收發(fā)一體芯片和藍牙一樣,都工作在2.4GHz自由頻段。nRF2401支持多點(diǎn)間通信， 最高傳輸速率超過(guò)1Mbit/S,而且比藍牙具有更高的傳輸速度。與藍牙不同的是, nRF2401沒(méi)有復雜的通信協(xié)議，它完全對用戶(hù)透明,同種產(chǎn)品之間可以自由通信。更重要的是，nRF2401比藍牙產(chǎn)品更便宜。所以nRF2401是業(yè)界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統級芯片。

電源模塊

　　在集中器電路中電源是能源中心,在集中器中起著(zhù)非常重要的作用,特別是在無(wú)線(xiàn)通信系統中,電源不光是能源的基地,它也直接影響通信的質(zhì)量。器件對加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限制的。這些引腳由二極管或分離元件接到Vcc。如果接入的電壓過(guò)高，電流將會(huì )通過(guò)二極管或分離元件流向電源。例如3V器件的輸入端接上5V信號，則5V電源將會(huì )向3V電源充電，持續的電流將會(huì )損壞二極管和電路元件。在等待或掉電方式時(shí)3V電源降落到0V，大電流將流到地，這使總線(xiàn)上的高電平電壓被下拉到地。這些情況將引起數據丟失和元件損壞。由于本集中器系統所采用的芯片需用+3V或+5V的直流供電,所以在電源部分首先使用AC-DC模塊將220V交流電轉化為+5V的直流電,在該系統中，選用專(zhuān)為通信控制芯片提供轉換電壓的LM1117為轉換芯片，它具有功耗低，體積小等優(yōu)點(diǎn)。又因為電壓中含有許多高頻干擾源，這些高頻成分很容易經(jīng)過(guò)電源進(jìn)入通信系統中。另外系統自身的發(fā)送頻率也會(huì )經(jīng)過(guò)電源感應反饋到通信系統造成干擾.因而可在電源電路中加入220μH的電感，與并入多個(gè)不同容值的電容所構成的濾波電路來(lái)抑制各種高頻信號。使集中器能夠得到穩定可靠且低干擾的電源,保證其可靠運行。該電源的電路原理圖如圖4所示。

圖4 電源電路原理圖

集中器電路設計注意事項

　　射頻部分的電路設計是集中器設計的重點(diǎn)與難點(diǎn),也是集中器設計成功的關(guān)鍵?？垢蓴_設計直接關(guān)系到射頻性能和整個(gè)集中器的運轉情況。在射頻部分布線(xiàn)時(shí),合理的布局與布線(xiàn)及采用多層板既是布線(xiàn)所必須的也是降低電磁干擾提高抗干擾能力的有效手段。

　　布線(xiàn)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：一是射頻部分電路沒(méi)有用做布線(xiàn)的面積均需用銅填充并連接到地,以提供RF屏蔽達到有效抗干擾的目的 ；二是nRF2401芯片底部應接地 ；為了降低延遲、減少串擾，確保高頻信號的傳輸，要使用多個(gè)接地過(guò)孔將nRF2401芯片底部和地層相連； 三是盡可能地減少串擾，減少分布參數的影響，器件要緊密地分布在nRF2401 的四周,并使用較小封裝。

集中器軟件設計

　　集中器的主要任務(wù)是完成與小區物業(yè)中心和三表數據采集終端的通信。集中器的通信包括兩部分：與小區物業(yè)中心的計算機通過(guò)nRF2401 無(wú)線(xiàn)通信模塊與集中器進(jìn)行通信；集中器通過(guò)nRF2401 無(wú)線(xiàn)通信模塊與三表數據采集終端進(jìn)行通信.集中器主程序流程圖如圖5所示.

圖5 集中器主程序流程圖

　　在集中器與小區物業(yè)中心和三表數據采集終端的無(wú)線(xiàn)數據傳輸中,數據必須進(jìn)行規定格式的處理才能有效的降低數據傳輸過(guò)程中的誤碼率。本系統采用的數據包格式由數據序列號、目標地址、源地址、所發(fā)數據長(cháng)度、數據正文及校驗碼組成,發(fā)送時(shí)的數據包格式如圖6所示。

圖6  數據包格式

　　當接收端收到一個(gè)數據包后,向發(fā)送端發(fā)送確認信號,若校驗無(wú)誤,則開(kāi)始判斷過(guò)程之后對該數據包進(jìn)行處理。在數據包前加數據序列號是為了及時(shí)的發(fā)現丟包、漏包的現象。

結語(yǔ)

　　無(wú)線(xiàn)抄表系統是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢,而對抄表系統的改造，采用無(wú)線(xiàn)抄表系統具有使用方便、成本低、應用靈活、無(wú)需重新布線(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。筆者利用nRF2401設計了一種低成本、低功耗、抗干擾性強的集中器,在實(shí)驗樓內搭建的該系統能夠正常實(shí)現無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表的功能,具有誤碼率低及抗干擾性強等特點(diǎn).此外本系統具有良好的通用性和可靠性,也可用于小區的報警和安全系統。

參考文獻:：
[1]劉立新,李國輝,郝云芳.基于MCU和nRF2401的無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表系統[J].微計算機技術(shù),2006,22(9):158-160.
[2]范廣,孫運強. 基于射頻收發(fā)芯片nRF2401的無(wú)線(xiàn)智能抄表設計[J].機械管理開(kāi)發(fā),2007 (6):72-73.
[3]任子真,王向陽(yáng). 遠程抄表系統中集中器的設計[J].微計算機信息,2008,24(8):177-179.
[4] 陳佳立.自動(dòng)抄表系統集中器的設計[J].工業(yè)控制計算機,2007,20(4):71-72.
[5]王曉蘭,任曉芳. 基于GPRS的遠程監控系統集中器的設計[J].微計算機信息,2007,23(10):30-32.
[6] 鄭君剛,吳成東.智能家居無(wú)線(xiàn)報警系統設計[J],電子產(chǎn)品世界,2007(4):82-84.