基于nRF2401智能小區(qū)無線抄表系統(tǒng)集中器設(shè)計(jì)

摘要：采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建了一種無線抄表系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于nRF2401的無線通信的集中器。該集中器避免了長距離布線和復(fù)雜的線路干擾，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn).
關(guān)鍵詞：無線抄表系統(tǒng)；集中器；nRF2401；智能小區(qū)

　　隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(duì)數(shù)據(jù)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(tǒng)主要有：有線抄表系統(tǒng)，掌上抄表系統(tǒng)和無線抄表系統(tǒng).其中有線抄表系統(tǒng)增加了綜合布線的費(fèi)用和難度，降低了系統(tǒng)的應(yīng)用靈活性，限制了有線抄表系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。掌上抄表系統(tǒng)需抄表部門用掌上抄表器抄取數(shù)據(jù)，因此降低了自動(dòng)化程度。無線抄表系統(tǒng)采用無線收發(fā)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，不需專門架線，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省了人力和物力，相對(duì)有線抄表系統(tǒng)和掌上抄表系統(tǒng)有著更大的優(yōu)勢(shì)。本文提出了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了基于nRF2401的無線通信的集中器的設(shè)計(jì)，通過該集中器可以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)快速、可靠的傳遞。

無線抄表系統(tǒng)方案

　　智能小區(qū)無線抄表系統(tǒng)主要由三表數(shù)據(jù)采集終端、集中器和物業(yè)中心的計(jì)算機(jī)組成。三表數(shù)據(jù)采集終端和集中器（下層），集中器和物業(yè)中心（上層）的計(jì)算機(jī)均采用星型結(jié)構(gòu)。智能小區(qū)無線抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1智能小區(qū)無線抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　上層通過以nRF2401無線通信模塊與分散在小區(qū)內(nèi)各棟樓內(nèi)集中器上的nRF2401無線通信模塊相連接，形成1對(duì)多的連接形式，實(shí)現(xiàn)集中器和小區(qū)物業(yè)中心的計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)在線連接。下層通信包括集中器通過無線的方式對(duì)三表數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā),以及轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)下達(dá)的指令和對(duì)三表進(jìn)行控制操作等。集中器是整個(gè)無線抄表系統(tǒng)的通信橋梁，它的工作情況決定了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，其實(shí)現(xiàn)功能有：每個(gè)月按約定時(shí)間循環(huán)查詢終端三表的數(shù)據(jù)，并把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加保存起來；當(dāng)接收到物業(yè)中心的計(jì)算機(jī)發(fā)布的采集命令后，立即打包數(shù)據(jù)并傳送；也可主動(dòng)向物業(yè)中心的計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)、報(bào)告緊急情況等。

集中器硬件設(shè)計(jì)

　　在無線抄表系統(tǒng)中，集中器處于信息傳遞通路的中間位置，該系統(tǒng)中的集中器采用無線方式傳輸數(shù)據(jù)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。無線數(shù)據(jù)集中器主要有無線數(shù)據(jù)傳輸模塊nRF2401、外部存儲(chǔ)單元、本地通信接口、微處理器（MCU）和電源模塊等組成。數(shù)據(jù)集中器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，數(shù)據(jù)集中器電路原理圖如圖3所示。

圖2數(shù)據(jù)集中器硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖3 數(shù)據(jù)集中器電路原理圖

　　考慮到無線數(shù)據(jù)集中器的低功耗、經(jīng)濟(jì)高效、性能穩(wěn)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。

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊nRF2401

　　nRF2401是挪威 Nordic公司的單片2.4GHz無線收發(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(jì)算編碼等功能。nRF2401無線收發(fā)一體芯片和藍(lán)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1Mbit/S,而且比藍(lán)牙具有更高的傳輸速度。與藍(lán)牙不同的是, nRF2401沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，它完全對(duì)用戶透明,同種產(chǎn)品之間可以自由通信。更重要的是，nRF2401比藍(lán)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(tǒng)級(jí)芯片。

電源模塊

　　在集中器電路中電源是能源中心,在集中器中起著非常重要的作用,特別是在無線通信系統(tǒng)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(duì)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。如果接入的電壓過高，電流將會(huì)通過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(hào)，則5V電源將會(huì)向3V電源充電，持續(xù)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，這使總線上的高電平電壓被下拉到地。這些情況將引起數(shù)據(jù)丟失和元件損壞。由于本集中器系統(tǒng)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(zhuǎn)化為+5V的直流電,在該系統(tǒng)中，選用專為通信控制芯片提供轉(zhuǎn)換電壓的LM1117為轉(zhuǎn)換芯片，它具有功耗低，體積小等優(yōu)點(diǎn)。又因?yàn)殡妷褐泻性S多高頻干擾源，這些高頻成分很容易經(jīng)過電源進(jìn)入通信系統(tǒng)中。另外系統(tǒng)自身的發(fā)送頻率也會(huì)經(jīng)過電源感應(yīng)反饋到通信系統(tǒng)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(gòu)成的濾波電路來抑制各種高頻信號(hào)。使集中器能夠得到穩(wěn)定可靠且低干擾的電源,保證其可靠運(yùn)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(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　射頻部分的電路設(shè)計(jì)是集中器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn),也是集中器設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。抗干擾設(shè)計(jì)直接關(guān)系到射頻性能和整個(gè)集中器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。在射頻部分布線時(shí),合理的布局與布線及采用多層板既是布線所必須的也是降低電磁干擾提高抗干擾能力的有效手段。

　　布線時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：一是射頻部分電路沒有用做布線的面積均需用銅填充并連接到地,以提供RF屏蔽達(dá)到有效抗干擾的目的 ；二是nRF2401芯片底部應(yīng)接地 ；為了降低延遲、減少串?dāng)_，確保高頻信號(hào)的傳輸，要使用多個(gè)接地過孔將nRF2401芯片底部和地層相連； 三是盡可能地減少串?dāng)_，減少分布參數(shù)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(shè)計(jì)

　　集中器的主要任務(wù)是完成與小區(qū)物業(yè)中心和三表數(shù)據(jù)采集終端的通信。集中器的通信包括兩部分：與小區(qū)物業(yè)中心的計(jì)算機(jī)通過nRF2401 無線通信模塊與集中器進(jìn)行通信；集中器通過nRF2401 無線通信模塊與三表數(shù)據(jù)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(qū)物業(yè)中心和三表數(shù)據(jù)采集終端的無線數(shù)據(jù)傳輸中,數(shù)據(jù)必須進(jìn)行規(guī)定格式的處理才能有效的降低數(shù)據(jù)傳輸過程中的誤碼率。本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)包格式由數(shù)據(jù)序列號(hào)、目標(biāo)地址、源地址、所發(fā)數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)正文及校驗(yàn)碼組成,發(fā)送時(shí)的數(shù)據(jù)包格式如圖6所示。

圖6  數(shù)據(jù)包格式

　　當(dāng)接收端收到一個(gè)數(shù)據(jù)包后,向發(fā)送端發(fā)送確認(rèn)信號(hào),若校驗(yàn)無誤,則開始判斷過程之后對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。在數(shù)據(jù)包前加數(shù)據(jù)序列號(hào)是為了及時(shí)的發(fā)現(xiàn)丟包、漏包的現(xiàn)象。

結(jié)語

　　無線抄表系統(tǒng)是未來發(fā)展的必然趨勢(shì),而對(duì)抄表系統(tǒng)的改造，采用無線抄表系統(tǒng)具有使用方便、成本低、應(yīng)用靈活、無需重新布線等優(yōu)點(diǎn)。筆者利用nRF2401設(shè)計(jì)了一種低成本、低功耗、抗干擾性強(qiáng)的集中器,在實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)搭建的該系統(tǒng)能夠正常實(shí)現(xiàn)無線自動(dòng)抄表的功能,具有誤碼率低及抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn).此外本系統(tǒng)具有良好的通用性和可靠性,也可用于小區(qū)的報(bào)警和安全系統(tǒng)。

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