基于nRF905和GPRS的智能家居用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

董 宇,楊 強(qiáng),顏文俊

（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

近年來,伴隨著智能家居和智能建筑技術(shù)的進(jìn)步，相關(guān)領(lǐng)域的研究工作逐步開展，其中相關(guān)的自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)和應(yīng)用也已經(jīng)開始。然而，人們常常忽視了智能家居領(lǐng)域中一個(gè)非常重要的課題——電量監(jiān)測(cè)。電量監(jiān)測(cè)不僅影響人們的日常生活，而且對(duì)家用電器的使用壽命也有很大的影響。因此，對(duì)于電量監(jiān)測(cè)的研究必然要成為智能家居研究領(lǐng)域中一個(gè)重要研究方向。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智能家居的用電監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為了一種必然趨勢(shì)。設(shè)計(jì)電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是各種家用電器的聯(lián)網(wǎng)問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)家用電器集中控制和管理。為了實(shí)現(xiàn)家居中多個(gè)電器的數(shù)據(jù)傳輸以及遠(yuǎn)程控制的目的，本文采用GPRS和射頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和組網(wǎng)。GPRS網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)是由通信公司推出的一項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸通信業(yè)務(wù)，在GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)，GPRS通信具有數(shù)據(jù)傳輸距離不受限制、通信費(fèi)用相對(duì)低廉、傳輸速率較快等優(yōu)點(diǎn)。雖然GPRS的設(shè)備成本和運(yùn)行費(fèi)用不是很高，但在無(wú)線家居網(wǎng)絡(luò)中給每個(gè)家用電器配置一個(gè)GPRS模塊的做法并不合適。通常的設(shè)計(jì)方案是，同一區(qū)域內(nèi)只配置一個(gè)裝有GPRS模塊的監(jiān)測(cè)終端，再由該GPRS終端模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時(shí)為家用電器配置無(wú)線射頻模塊，將電器參數(shù)發(fā)送給GPRS監(jiān)控終端。無(wú)線射頻模塊選用nRF905芯片，nRF905芯片是挪威Nordic公司推出的單片射頻收發(fā)器。芯片工作電壓為DC1.9～3.6 V，32引腳QFN封裝，內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制,工作在433/868/915 MHz三個(gè)ISM頻段,頻段之間收發(fā)模式切換時(shí)間小于 650 μs[1]；GPRS模塊選用華為的 GTM900-C，內(nèi)嵌TCP/IP、PPP撥號(hào)協(xié)議，加上通用的RS-232接口和豐富的AT指令集，就可以完成可靠的數(shù)據(jù)通信[2]。本文提出了一種基于nRF905和GPRS模塊的智能家居用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能家居中家用電器的電量參數(shù)采集，并把它們構(gòu)成了區(qū)域性無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，使整個(gè)智能家居的無(wú)線系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定。

1 整體設(shè)計(jì)方案

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能家居用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由具有無(wú)線射頻信號(hào)收發(fā)功能的智能無(wú)線電參數(shù)測(cè)量插座、帶有nRF905和GPRS模塊的互動(dòng)監(jiān)測(cè)終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心三部分組成。考慮到對(duì)無(wú)線通信協(xié)議的基本要求以及對(duì)系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性和可靠性的要求，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)必須選擇合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前在無(wú)線領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、星-網(wǎng)混合結(jié)構(gòu)[3]。本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)單跳系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中所有無(wú)線節(jié)點(diǎn)都與基站進(jìn)行雙向通信，各節(jié)點(diǎn)間并不通信，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 系統(tǒng)通信層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的通信層次采用底層通信和頂層通信兩層通信結(jié)構(gòu)，底層通信為無(wú)線射頻通信部分，頂層通信為GPRS通信部分。底層局域網(wǎng)中的智能無(wú)線插座構(gòu)成了無(wú)線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，并將采集的數(shù)據(jù)信息傳送給互動(dòng)監(jiān)測(cè)終端，終端設(shè)有的GPRS模塊可以無(wú)線接入Internet，進(jìn)一步將底層的數(shù)據(jù)及報(bào)警信息傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。系統(tǒng)通信層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)通信層次示意圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 插座的硬件設(shè)計(jì)

智能無(wú)線電參數(shù)測(cè)量插座的任務(wù)是完成家用電器的電能量采集和計(jì)算，通過nRF905無(wú)線模塊向互動(dòng)監(jiān)測(cè)終端提供電能數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)等待互動(dòng)監(jiān)測(cè)終端的指令。插座硬件系統(tǒng)主要由CPU系統(tǒng)控制模塊、電能參數(shù)采集與調(diào)理模塊、無(wú)線射頻模塊和繼電器模塊等幾大模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

智能無(wú)線電參數(shù)測(cè)量插座采用具有國(guó)際領(lǐng)先水平的電能計(jì)量芯片ATT7035作為核心芯片。它是一款 SoC芯片(System-on-Chip)，集成了單相計(jì)量、處理器、電源管理、時(shí)鐘管理、PLL、JTAG調(diào)試等功能。同時(shí)又是基于8位CPU52設(shè)計(jì)，具有 8052兼容指令集和總線結(jié)構(gòu)，片內(nèi)集成按鍵、串行通信、LCD、SPI、I2C等外設(shè)，可直接驅(qū)動(dòng)液晶顯示器，端口具有跳變中斷功能，方便接收鍵盤輸入信號(hào)；還可進(jìn)入休眠模式，降低功耗。

圖3 智能無(wú)線電參數(shù)測(cè)量插座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過電壓和電流的采集調(diào)理模塊將采集的電壓和電流信號(hào)送入計(jì)量芯片ATT7035的Σ-ΔADC以及數(shù)字信號(hào)處理部分。ADC完成電流信號(hào)和電壓信號(hào)的采樣，數(shù)字信號(hào)處理部分完成有功功率與有功電能、無(wú)功功率與無(wú)功電能、視在功率與視在電能、電壓有效值、電流有效值及頻率計(jì)算等計(jì)量功能。處理結(jié)果通過SPI方式送到nRF905的無(wú)線射頻部分進(jìn)行無(wú)線發(fā)送，圖4給出了電量參數(shù)測(cè)量的主電路圖。

2.2 終端的硬件設(shè)計(jì)

互動(dòng)監(jiān)測(cè)終端的任務(wù)是把智能無(wú)線電參數(shù)測(cè)量插座采集的數(shù)據(jù)遞交給家居遠(yuǎn)程監(jiān)控中心,或?qū)⑦h(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)出的命令傳達(dá)給每個(gè)插座,起到溝通GPRS系統(tǒng)和無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)的作用。互動(dòng)監(jiān)測(cè)終端結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 互動(dòng)監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

互動(dòng)監(jiān)測(cè)終端以三星的S3C2440A微處理器為核心，集監(jiān)控、通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)交互為一體；系統(tǒng)集成的nRF905和GTM900-C通信模塊分別用于實(shí)現(xiàn)基于無(wú)線局域網(wǎng)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信。通信方面，微處理器S32440A通過自帶的SPI口與nRF905進(jìn)行通信，以串口的方式與GPRS模塊進(jìn)行通信。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 nRF905無(wú)線系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)

通信協(xié)議是通信雙方為實(shí)現(xiàn)信息交換而制定的規(guī)則。通信協(xié)議設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是通信可靠性的保證[4]。由于無(wú)線收發(fā)模塊的特性，通信可能在發(fā)射端與接收端之間受到外界的干擾而使數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤,需要通信協(xié)議來保證接收端能正確地接收數(shù)據(jù),并確定所接收數(shù)據(jù)是否為實(shí)際數(shù)據(jù)。nRF905組成的局域無(wú)線系統(tǒng)的通信協(xié)議格式如圖6所示。

其中，Preamble為引導(dǎo)字節(jié)，Address為接收機(jī)地址，IC為識(shí)別碼，Data為有效數(shù)據(jù)，CRC為校驗(yàn)碼。當(dāng)nRF905處于發(fā)送模式，Address、IC和Data由微控制器按順序送入無(wú)線射頻模塊，Preamble和CRC由nRF905自動(dòng)加載；當(dāng)nRF905處于接收模式，nRF905先對(duì) Preamble、Address和CRC進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證正確后再將IC和Data送入微控制器進(jìn)行處理。

智能無(wú)線電參數(shù)測(cè)量插座要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先初始化nRF905寄存器，然后通過SPI接口，按時(shí)序把接收機(jī)的地址、識(shí)別碼和發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給nRF905，同時(shí)置高TRX_CE和TX_EN引腳，此時(shí)無(wú)線射頻模塊處于發(fā)送模式，當(dāng)發(fā)送過程完成，DR引腳為高，此時(shí)置低TRX_CE，nRF905進(jìn)入空閑模式。nRF905發(fā)送流程如圖7所示。

圖7 nRF905發(fā)送流程圖

智能無(wú)線插座要接收數(shù)據(jù)時(shí)，此時(shí)TRX_CE為高、TX_EN為低，nRF905進(jìn)入接收模式，nRF905不斷監(jiān)測(cè)，等待接收數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到同一頻段的載波時(shí)，CD置高；當(dāng)接收到相匹配的地址時(shí)，AM被置高；當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包接收完畢時(shí)，DR引腳被置高,此時(shí),置低 TRX_CE,nRF905進(jìn)入空閑狀態(tài)，微控制器通過SPI接口將nRF905數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)讀出。nRF905接收流程如圖8所示。

3.2 終端的軟件設(shè)計(jì)

互動(dòng)監(jiān)測(cè)終端程序設(shè)計(jì)是采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)完成的，通過Linux操作系統(tǒng)建立和管理相應(yīng)的進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)模塊化程序設(shè)計(jì)，各個(gè)進(jìn)程的同步協(xié)調(diào)可以通過Linux的優(yōu)先級(jí)與信號(hào)量機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，建立各自的進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)nRF905和GPRS通信任務(wù)。同時(shí)，本設(shè)計(jì)中應(yīng)用了嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)Berkeley DB存儲(chǔ)技術(shù)以及Qt/Embedded顯示技術(shù)，使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人機(jī)交互性能好,數(shù)據(jù)處理速度快，用戶操作簡(jiǎn)潔。圖9給出互動(dòng)監(jiān)測(cè)終端的程序流程圖。

3.3 監(jiān)控中心的軟件設(shè)計(jì)

家居遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采用客戶端/服務(wù)器模式。GPRS模塊作為客戶端，請(qǐng)求與家居遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信；家居遠(yuǎn)程監(jiān)控中心作為服務(wù)器，偵聽網(wǎng)絡(luò)的連接請(qǐng)求。本設(shè)計(jì)應(yīng)用微軟公司提供的MFC類庫(kù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)，采用面向連接的可靠性強(qiáng)的TCP協(xié)議編寫可視化的 Socket服務(wù)器程序[5]。

4 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在系統(tǒng)測(cè)試之前，測(cè)量芯片必須要經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的校驗(yàn)臺(tái)校正。經(jīng)過電表公司標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)臺(tái)的補(bǔ)償校正，測(cè)量誤差限定在0.5%之內(nèi)，滿足了普通電表等級(jí)的要求，在沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的情況下以此作為設(shè)計(jì)依據(jù)。在系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。搭載各類負(fù)載時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

智能無(wú)線電參數(shù)測(cè)量插座連接到筆記本電腦，采集筆記本電腦的電能量參數(shù)，包括電壓、電流、有功功率、頻率等電能信息，然后通過nRF905射頻模塊傳輸?shù)交?dòng)監(jiān)測(cè)終端，智能無(wú)線電參數(shù)測(cè)量插座所采集的電能數(shù)據(jù)在互動(dòng)終端的顯示界面上顯示，最后再由互動(dòng)監(jiān)測(cè)終端通過GPRS模塊向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)，由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采取合理科學(xué)的控制策略來控制家居中家用電器的運(yùn)行狀態(tài)，提供人們舒適的生活環(huán)境。實(shí)驗(yàn)室證明該系統(tǒng)的通信方案是可行的。

本設(shè)計(jì)方案除了能保證家居中家用電器的安全正常運(yùn)行外，還能將智能無(wú)線電參數(shù)測(cè)量插座采集的用電量信息通過互動(dòng)終端傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心。在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心中，可以根據(jù)家用電器的運(yùn)行數(shù)據(jù)來定制科學(xué)合理的運(yùn)行策略以達(dá)到安全可靠運(yùn)行和節(jié)能的目的。無(wú)線射頻的傳輸能力在室內(nèi)可達(dá)100 m，在互動(dòng)終端的管理下，可將多個(gè)插座聯(lián)合組成一套完整的區(qū)域用電器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，有效協(xié)調(diào)和管理所有家用電器，保證區(qū)域運(yùn)行安全。

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