基于nRF2401的无线自动抄表系统

1基于nRF2401的无线自动抄表系统摘要介绍了一种由AT89C52单片机及nRF2401构成的射频无线自动抄表系统，详细地叙述了系统设计原理与软硬件的实现方法。该系统具有结构简单、工作可靠、经济实用等特点。关键词自动抄表系统；nRF2401；AT89C52WirelessAutomaticRecordingSystemBasedonnRF2401AbstractWirelessautomaticrecordingsystembasedonnRF2401constructedbyAT89C52andnRF2401ispresented.Itdescribesdesigningtheoryandthemethodsofsoftwareandhardwareofsystemindetail.Itischaracterizedbysimpleconstruction,reliabilityserviceandeconomy.KeywordsAutomaticrecordingsystem；nRF2401；AT89C520引言传统的抄表收费方式存在许多弊端，如存在安全隐患、入户麻烦、管理费用过高等，已不适应现代物业管理的需要。随着电子技术和通信的发展，自动抄表系统得以广泛应用，各类相关产品也层出不穷，人们对新产品也提出更高的要求。本文提出了一种基于nRF240l的无线自动抄表系统，通信质量好，成本低，工作可靠、经济实用，可以准确及时地将用户三表数据抄送上来，是一种理想的自动抄表解决方案，同时也是抄表收费系统发展的趋势。1系统的总体结构图1为无线抄表系统的总体结构，它可用于家庭内部三表或多表数据的抄送。系统下层直接与水表、电表、煤气表等连接，上层与抄表中心主机连接，实现数据的远程抄送。系统一般使用被动抄表方式。上层模块接收到仪表中心的抄表命令时，通过无线方式向下层模块发送抄表指令。下层模块主要有两个功能：一是当定点抄表时刻到达时，设备自动采集电表、水表、煤气表读数，并将该数据存储到串行EEPROM存储器中；二是当下层模块接收到指令时，可以根据指令内容分别执行历史存储电量、水量、煤气量数据的传输或当前电表、水表、煤气表读数的采集传输，发送到上层模块，再由上层模块发送到仪表中心。水表电表煤气表无线模块无线模块无线模块无线模块RS232总线主控PC机图1无线抄表系统的总体结构2系统的硬件实现2.1系统硬件结构测控基站组成由AT89C52、nRF2401、串行EEPROMCAT24WC32、MAX485芯片及485总线等构成，如图2所示。由于测控基站系统的CPUAT89C52采用2IC总线外扩存储器，因此本系统具有结构简单，成本低的特点。主控基站组成由PC机、AT89C52、nRF2401、MAX232芯片及232总线构成，如图2所示。其主要功能是通过RS232接口从PC机中接收抄表指令，将该指令进行编码后进行无线传输，电表端设备收到该无线指令后，将待返回的数据编码并进行无线传输，然后PC机收到该无线数据，对信息进行处理并由相应程序进行显示。2测控基站组成主控基站组成图2系统框图2.2主要器件介绍2.2.1nRF2401芯片nRF2401芯片是挪威Nordic公司推出的2.4G单片无线射频收发芯片，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。该芯片具有接收灵敏度高、外围电路少、发射功率低、传输速率高、低功耗等优点。nRF2401芯片和蓝牙一样，都工作在2.4～2.5GHzISM自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。nRF2401芯片支持多点间通信，比蓝牙具有更高的传输速度，其最高传输速率超过1Mbps。它采用Soc(SystemonChip)方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是，nRF2401没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。更重要的是，nRF2401比蓝牙产品更便宜。所以nRF2401是业界体积小、功耗低、外围元件少的低成本射频系统级芯片。nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。2.2.2nRF2401芯片的工作原理2.2.2.1TMShorkBurstRX/TX模式nRF2401的TMShorkBurstRX/TX模式采用片上先进先出（FIFO）来进行低数据率的时钟同步和高数据率的传输，因此极大地降低了功耗。TMShorkBurst发射主要通过MCU接口引脚CE、CLK1和DATA来完成。当MCU请求发送数据时，置CE为高电平，此时的接收机地址和有效载荷数据作为nRF2401的内部时钟，可用请求协议或MCU将速率调至1Mbps；置CE为低电平可激活TMShorkBurst发射。TMShorkBurst接收主要使用MCU接口引脚CE、DR1、CLK1和DATA来实现。当正确设置射频数据包输入载荷的地址和大小后，置CE为高电平即可激活RX。此后便可在nRF2401监测信息输入，200us内若收到有效数据包，则给MCU一个中断并置DR1高电平，以使MCU以时钟形式输出有效载荷数据，待系统收到全部数据后nRF2401再置DR1为低电平，此时如果CE保持高电平，则等待新的数据包。若CE置低电平，则开始接收新的序列。2.2.2.2DuoCeiver的双信道接收模式nRF2401的DuoCeiver技术为RX提供了两个独立的专用数字信道，因而可代替两个单独接收系统。nRF2401可以通过一个天线接口从相隔8MHz的两个1Mbps接收机上接收数据。同时将两个数字信道的输出反馈到两个单独的MCU接口。具体的两个信道如下:数字信道1:CLK1,DATA,AR1；数字信道2:CLK2,DATA,DOUT2；数字信道2的频率比数字信道1的频率高出8MHz。32.3PCB设计中的注意事项模拟电路和数字（微波控制）电路若分开运行会工作的很好，但一旦把它们放在同一块PCB板上，问题就变的复杂了。数字线路经常在高电平和地之间摇摆，这意味着线路上经常有一个3V的峰峰值，并且转换时间很快，通常都是纳秒级。由于大的幅值和极快的转换时间，信号中经常包含有高频成分。而在模拟部分，从天线到无线接收器的输入信号可能低于1uVrms。数字信号和射频信号之间量级的差别可能达到106（120dB），这样微弱的射频信号可能被干扰，造成无线传输的失真，更有甚着造成电路故障。因此，射频部分电路的设计就显得非常重要。在设计中应遵循以下原则：首先一定要有一个可靠的地平面，电源地应该直接与射频部分的地相连；其次，与地平面的连接线越短越好。在每个没有接地的焊盘边都要放上过孔，绝不要让两个焊盘共用一个过孔，这样由于过孔自身的阻抗可能会造成两个焊盘之间的串话。射频电路中在尽可能靠近管脚处都要放去耦电容。恰当地选择电容大小会起到很好的效果。电源要采用星形布线，即不同部分(数字部分、模拟部分、射频部分)的电源线分别直接从总电源引出，并且分别去耦。这样可以有效地防止电源噪声的干扰。3系统的软件设计3.1上层模块软件设计按照主控基站硬件电路设计，上层模块编程的基本思路是，系统上电时初始配置nRF2401状态字,随后进入激活方式，MCU接收到主机发送来的抄表命令后，通过射频无线通讯方式向测控基站发送命令，同时开始计时。如果下层模块没有数据返回或者返回的数据是错误的，则上层模块会重新发送命令。如图3主控基站软件流程图所示。3.2下层模块软件设计按照测控基站硬件电路设计，下层模块编程的基本思路是，系统上电时初始配置nRF2401状态字,随后进入激活方式，当收到上层模块发来的抄表命令时，MCU首先检查地址。如果地址不符，说明命令是发给其它模块的，则丢弃命令，继续等待。如果地址符合，则将上层模块发来的命令转发给仪表，等待数据返回。数据正常接收完毕后，则向上层发送数据，之后重新进入等待状态，如图4测控基站软件流程图所示。开始AT89C52初始化子程序nRF2401初始配置子程序进入激活方式等待上层命令数据送回主机检验数据接受到主机发送来的抄表命令向下层发送命令接受数据不正确正确图3主控基站软件流程图开始AT89C52初始化子程序nRF2401初始配置子程序进入激活方式等待上层命令向上层发送数据接受数据接受上层命令判断地址向仪表发送命令不正确图4测控基站软件流程图3.3通信机制无线通信易受到干扰，一次发送的数据越长，受干扰的可能性越大。所以应该把比较长的数据分成小4的数据包分别发送。主机与单片机、nRF2401之间的通信方式如下：传输速率为4800bps,1个起始位、8个数据位、8个校验位、1个停止位。数据帧的帧结构如表1所示。表1数据帧的帧结构帧头标志2个字节目标设备地址帧类型帧编号数据校验帧尾标志2个字节0x55556个字节1个字节1个字节1个字节1个字节0xA8EF单片机、nRF2401与单片机、nRF2401之间的通信方式如下：传输速率为9600bps,1个起始位、8个数据位、奇校验位、1个停止位。数据帧的帧结构如表2所示。表2数据帧的帧结构帧头标志4个字节目标设备地址帧类型指令长度数据校验帧尾标志4个字节0xBB5555556个字节1个字节1个字节1个字节1个字节0x55BBBBBB单片机与电表之间的通信方式如下：传输速率1200bit/s,1个起始位，8个数据位，奇校验位，1个停止位。数据帧结构遵循DL/T645—1997标准。4结束语无线自动抄表系统是未来发展的必然趋势，而对于抄表系统的改造，无线自动抄表系统具有使用方便、成本低、应用灵活、无需重新布线的优点，并且价格适中。家庭内部的三表可以统一抄送。该系统在200米内能够正常实现无线自动抄表的功能，误码率为510。此外，本系统具有良好的通用性和可靠性,略加改进也可以应用于报警与安全系统、家庭自动化控制遥控装置等。参考文献[1]张毅刚，彭喜源，谭晓昀.单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社，1997[2]NordicInc.nRF2401rev1_0Datasheet[Z].2003[3]赵锋.基于nRF401的短距无线抄表系统[J].电力系统自动化.2004,30(2):105-106[4]张崇,于晓琳,刘建平.单片2.4GHz无线收发一体芯片nRF2401及其应用.国外电子元器件，2004(6)[5]蒋正义，朱善安，韩东芳.基于MSP430和nRF40l的无线自动抄表系统.电子技术应用，2004(11)