鄭君剛　張　平　王麗娜

摘要：采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建了一種無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于nRF2401的無(wú)線(xiàn)通信的集中器。該集中器避免了長(zhǎng)距離布線(xiàn)和復(fù)雜的線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(xiàn)抄表系統(tǒng)，掌上抄表系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)。其中有線(xiàn)抄表系統(tǒng)增加了綜合布線(xiàn)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(xiàn)抄表系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。掌上抄表系統(tǒng)需抄表部門(mén)用掌上抄表器抄取數(shù)據(jù)，因此降低了自動(dòng)化程度。無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，不需專(zhuān)門(mén)架線(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省了人力和物力，相對(duì)有線(xiàn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了基于nRF2401的無(wú)線(xiàn)通信的集中器的設(shè)計(jì)，通過(guò)該集中器可以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)快速、可靠的傳遞。文章內(nèi)容：

無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)方案

智能小區(qū)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

上層通過(guò)以nRF2401無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(xiàn)連接。下層通信包括集中器通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(xún)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(lái)，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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)方式傳輸數(shù)據(jù)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)集中器主要有無(wú)線(xiàn)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。

考慮到無(wú)線(xiàn)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至關(guān)重要。

無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)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，可提供ShockBurst、DuoCeiver、片上CRC以及地址計(jì)算編碼等功能。nRF2401無(wú)線(xiàn)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(guò)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，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(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(wú)線(xiàn)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)加到輸入引腳或輸出引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(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(xiàn)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(zhuān)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(guò)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(guò)電源感應(yīng)反饋到通信系統(tǒng)造成干擾。因而在電源電路中加入220gH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(lái)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。

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(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(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(guò)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(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(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。

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(wú)線(xiàn)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(guò)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(zhǎng)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(見(jiàn)圖6)。

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(wú)誤，則開(kāi)始判斷過(guò)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(yǔ)

無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而對(duì)抄表系統(tǒng)的改造，采用無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)具有使用方便、成本低、應(yīng)用靈活、無(wú)需重新布線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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)。