基於nRF9E5和GPRS的無線抄表系統

    傳統的人工抄表不僅費時費力，而且不利於用電波峰波谷的統計。隨著電子技術的發展，各種各樣的電子式電能表以其精確度高、功能擴展性強等優勢已被電力企業和用戶廣泛認可與接受，為實現遠程自動抄表和電能計量信息化管理奠定了堅實的基礎。隨著通信技術的發展，自動抄表系統的通信方式也從電力載波、車載無線發展到目前的GPRS。基於GPRS通信網的自動抄表系統具有數據傳輸速度快、可靠性高、實時在線等優點，目前已經被廣泛採用。雖然GPRS的設備成本和運行費用不是很高，但給每個電能表配置一個GPRS的做法並不合適。通常，同一區域內的電能表通過無線方式或RS232/485方式連接到安裝在區域中心的GPRS上，再由GPRS與電能監控中心取得聯繫。
    nRF9E5是Nordic VLSI公司於2004年2月推出的無線射頻收發晶元，外接50Ω 天線且無遮擋時，信號有效發射距離可達800m 以上，有建築物等遮擋時仍可達350m 左右。本文利用nRF9E5設計了具有無線接發功能的電子式電能表和與其相適應的GPRS裝置，並把它們構成了區域性無線通信網路，使整個無線抄表系統更加經濟。

1 nRF9E5晶元
    nRF9E5晶元符合美國通信委員會和歐洲電信標準學會的相關標準，其內部結構框圖如圖1所示。
 
    在nRF9E5晶元中，嵌入了nRF905無線收發晶元、集成增強型8051微處理器和4通道的10位ADC，內含1.22V 電壓基準、電源管理、PWM、UART、SPI、邏輯介面電路、看門狗電路、多通道可編程喚醒電路等。nRF9E5沒有複雜的通訊協議，完全對用戶透明，同種產品之間可以自由通訊， 內置的CRC糾錯硬體電路和協議免去了軟體糾錯編程和微控制器的糾錯運算，降低了無線應用的開發難度。

2 無線抄表系統的組成
    本文提出的無線抄表系統由具有無線接發功能的電子式電能表、帶有nRF9E5和GPRS模塊的中繼裝置、電能量監控中心三部分組成。其結構圖如圖2所示。
 
2.1電能表
    電能表的任務是完成電能量的採集與計算，並向電能量監控中心提供電能數據。電能表以ADE7757作為電能測量晶元，nRF9E5中內置的8051微處理器為CPU。其硬體原理如圖3所示。
 
    電壓感測器和電流感測器的信號送入ADE7757晶元內部的兩個ADC以後，電壓和電流被數字化處理。ADE7757內置的乘法器將電壓和電流相乘，得到有功功率P(t)，ADE7757通過數字-頻率轉換器將功率轉換成頻率輸出。內置8051微處理器的nRF9E5通過外部中斷方式對ADE7757輸出的脈衝進行基數，並根據脈衝頻率和P(t)之間的比例關係得到用戶的用電量。處理結果通過SPI方式送到nRF9E5的無線射頻部分進行無線發送。
    顯示部分則將nRF9E5處理后的用電量顯示出來，便於用戶查看。顯示部分採用帶有鍵盤掃描的LED顯示驅動電路MAX6955。該器件具有400kbps、與I2C兼容的2線串列介面，不僅簡化了鍵盤/顯示部分的硬體電路，而且減輕了nRF9E5的軟體負擔。
    nRF9E5的程序存儲在EEPROM 晶元25AA320中。系統上電或複位后，處理器自動執行ROM 引導區中的代碼，將25AA320中的用戶程序載入到內部RAM 中執行。

2.2 中繼裝置
    中繼裝置的任務是把電能表發送的數據遞交給電能量監控中心，或將電能量監控中心發出的命令傳達給每塊電能表，起到溝通GPRS系統和局域無線系統的作用。中斷裝置結構圖如圖4所示。
 
圖4 中繼裝置硬體結構圖
    局域無線系統部分仍然採用nRF9E5，GPRS 部分採用 BENQ公司的M22A晶元。M22A的基帶處理器與nRF9E5之間的信息交換通過UART來完成。
    M22A 晶元符合EGSM900、DCS1800和PCS1900標準。片上無線單元主要完成信號的調製與解調，實現外部信號與內部基帶處理器之間的信號轉換。M22A晶元的SIM_CLK、SIM_RST 和SIM_IO 引腳與SIM 卡相連。SIM_CLK和SIM_RST分別為SIM 卡提供時鐘和複位信號，SIM_IO則用於與SIM 卡之間的數據傳輸。
    GPRS基於TCP/IP協議，監控中心的查詢命令或控制命令可以通過Internet或GPRS通信網發送到中繼裝置的GPRS模塊中，再通過nRF9E5組成的局域無線系統傳送給各個電錶。

3 無線抄表系統的通信設計
    由nRF9E5組成的局域無線系統的通信協議格式為：

Preamble

Add

X

Data

CRC

    其中，Preamble為引導位元組，Add為接收機地址。X為識別碼，Data為有效數據，CRC為校驗碼。
    nRF9E5處於發射模式時，Add、X 和Data由微控制器按順序送入射頻模塊，Preamble和CRC由nRF9E5自動載入。處於接收式時，nRF9E5先對Preamble、Add和CRC進行驗證，驗證正確后再將X和Data送入微控制器進行處理。當X和本機識別碼一致時。繼續處理後繼數據，否則放棄該數據包。
    當通道內有RF載波出現時，nRF9E5的CD腳被置高。在準備發送數據時，應檢測通道是否可以用於發送數據， 以避免與其他收發器搶用相同通道的現象發生。其發送和接收數據流程分別如圖5和圖6所示。
 
圖5 nRF9E5模塊發送數據流程圖
 
圖6 nRF9E5模塊接收數據流程圖
    圖中，TRX_CE為發送和接收使能寄存器位，DR 為數據準備寄存器位，AM 為地址匹配寄存器位，AUTO_RETRAN 為自動重發寄存器位。
    M22A 晶元和nRF9E5的通信數據介面為UART。M22A通過接收來自UART的AT指令，實現GPRS的各種功能。
    在指令狀態下建立M22A與Internet連接的步驟如下：
(1)為M22A開通TCP/IP服務。發送指令“AT+CGDCONT=1,'IP','CMNET'” ，正常情況下返回“OK”。
(2)為M22A分得固定虛擬IP地址。發送指令“AT3E2IPA=1,1”，正常情況下返回“OK”。
(3)查看M22A分得的IP地址。發送指令“AT3E2IPI=0”，正常情況下返回IP地址。
(4)通過TCP連接電能量監控中心的數據接收伺服器。發送指令“AT3E2IPO=1,'202.113.177.159',1001”，連接后返回“CONNECT”。如果返回“ERROR”，則必須重新發送相關指令。
    當M22A晶元和電能量監控中心的數據接收伺服器成功建立連接后，電能量監控中心就可以與電能表進行直接的信息交換。
    nRF9E5的硬體結構簡單，操作方便，而且成本比較低，是一種比較好的近距離無線通信解決方案。實際測試表明，nRF9E5無線射頻模塊的誤碼率及抗干擾能力均達到了較高水平。本文介紹的基於nRF9E5和GPRS的無線抄表系統充分利用了nRF9E5的硬體資源，經濟性比較好。