基于nRF2401智能小區無線抄表系統集中器設計

　　隨著電子技術、計算機技術和通信技術的不斷發展，各個行業的自動化進程正在逐漸加快，以至于在自動抄表中對數據采集的實時性、可靠性、信息量提出了更高的要求。目前的抄表系統主要有：有線抄表系統，掌上抄表系統和無線抄表系統.其中有線抄表系統增加了綜合布線的費用和難度，降低了系統的應用靈活性，限制了有線抄表系統的推廣和應用。掌上抄表系統需抄表部門用掌上抄表器抄取數據，因此降低了自動化程度。無線抄表系統采用無線收發設備傳輸數據，不需專門架線，系統結構簡單，節省了人力和物力，相對有線抄表系統和掌上抄表系統有著更大的優勢。本文提出了一種基于無線網絡技術的無線抄表系統，重點研究了基于nRF2401的無線通信的集中器的設計，通過該集中器可以實現采集數據快速、可靠的傳遞。

無線抄表系統方案

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

圖1智能小區無線抄表系統結構圖

　　上層通過以nRF2401無線通信模塊與分散在小區內各棟樓內集中器上的nRF2401無線通信模塊相連接，形成1對多的連接形式，實現集中器和小區物業中心的計算機的實時在線連接。下層通信包括集中器通過無線的方式對三表數據的采集、存儲、轉發,以及轉發上位機下達的指令和對三表進行控制操作等。集中器是整個無線抄表系 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，其實現功能有：每個月按約定時間循環查詢終端三表的數據，并把采集到的數據進行累加保存起來；當 接收到物業中心的計算機發布的采集命令后，立即打包數據并傳送；也可主動向物業中心的計算機發送數據、報告緊急情況等。

集中器硬件設計

　　在無線抄表系統中，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線方式傳輸數據，是整個系統的核心。無線數據集中器主要有無線數據傳輸模塊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

　　考慮到無線數據集中器的低功耗、經濟高效、性能穩定、接口電路簡單和自動化程度高等特點，因此選擇合適的電路芯片也至關重要。

無線數據傳輸模塊nRF2401

　　nRF2401是 挪威 Nordic公司的單片2.4GHz無線收發一體芯片。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無線收發一體芯片和藍牙一樣,都工作在2.4GHz自由頻段。nRF2401支持多點間通信， 最高傳輸速率超過1Mbit/S,而且比藍牙具有更高的傳輸速度。與藍牙不同的是, nRF2401沒有復雜的通信協議，它完全對用戶透明,同種產品之間可以自由通信。更重要的是，nRF2401比藍牙產品更便宜。所以nRF2401是業界體積最小、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,在集中器中起著非常重要的作用,特別是在無線通信系統中,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。如果接入的電壓過高，電流將會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，則5V電源將會向3V電源充電，持續的電流將會損壞二極管和電路元件。在等待或掉電方式時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，體積小等優點。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過電源進入通信系統中。另外系統自身的發送頻率也會經過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，與并入多個不同容值的電容所構成的濾波電路來抑制各種高頻信號。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與難點,也是集中器設計成功的關鍵�？垢蓴_設計直接關系到射頻性能和整個集中器的運轉情況。在射頻部分布線時,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。

　　布線時需要注意以下幾點：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，要使用多個接地過孔將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

　　集中器的主要任務是完成與小區物業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：與小區物業中心的計算機通過nRF2401 無線通信模塊與集中器進行通信；集中器通過nRF2401 無線通信模塊與三表數據采集終端進行通信.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中心和三表數據采集終端的無線數據傳輸中,數據必須進行規定格式的處理才能有效的降低數據傳輸過程中的誤碼率。本系統采用的數據包格式由數據序列號、目標地址、源地址、所發數據長度、數據正文及校驗碼組成,發送時的數據包格式如圖6所示。

圖6  數據包格式

　　當接收端收到一個數據包后,向發送端發送確認信號,若校驗無誤,則開始判斷過程之后對該數據包進行處理。在數據包前加數據序列號是為了及時的發現丟包、漏包的現象。

結語

　　無線抄表系統是未來發展的必然趨勢,而對抄表系統的改造，采用無線抄表系統具有使用方便、成本低、應用靈活、無需重新布線等優點。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,在實驗樓內搭建的該系統能夠正常實現無線自動抄表的功能,具有誤碼率低及抗干擾性強等特點.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。

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