智能樓宇測(cè)控系統(tǒng)的nRF24LEl無線數(shù)據(jù)采集

樓宇設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)是智能建筑的重要組成部分，該系統(tǒng)將對(duì)整棟樓宇的空調(diào)制冷系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯、消防、安全防范系統(tǒng)等進(jìn)行信號(hào)采集和控制，實(shí)現(xiàn)樓宇設(shè)備管理自動(dòng)化，起到集中管理、分散控制、節(jié)約能耗的作用。

對(duì)于已經(jīng)投入運(yùn)行的建筑安裝有線樓宇測(cè)控設(shè)備則比較困難與麻煩，但采用無線組網(wǎng)技術(shù)可以方便地完成樓宇測(cè)控設(shè)備安裝布置，其組網(wǎng)靈活，安裝施工費(fèi)用低廉，并能根據(jù)需要重新布置樓宇設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)，具有可移動(dòng)性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

樓宇設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)包括nRF24LEl無線數(shù)據(jù)采集與控制模塊、nRF24LUl+無線USB接口模塊和PC機(jī)構(gòu)成的樓宇設(shè)備測(cè)控中心，系統(tǒng)方框圖如圖l所示。

無線數(shù)據(jù)采集與控制模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制各樓宇設(shè)備子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)各個(gè)子系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、緩存和轉(zhuǎn)發(fā)，并實(shí)時(shí)將各子系統(tǒng)監(jiān)控的狀態(tài)變化以無線方式，通過無線USB接口模塊傳送給監(jiān)控中心。同時(shí)，監(jiān)控中心也通過無線USB接口模塊以無線方式將控制命令傳送給無線數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)各樓宇設(shè)備子系統(tǒng)的控制。

2 無線數(shù)據(jù)采集模塊電路

無線數(shù)據(jù)采集模塊是以nRF24LEl低成本、高性能的嵌入式微處理器智能射頻收發(fā)器為核心。

nRF24LEl是一款適合超低功耗無線應(yīng)用的SoC，片上集成了Intel805l 8位微處理器、nash存儲(chǔ)器、低功耗振蕩器、實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器、AES硬件加密器、隨機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)生器、節(jié)能控制等部件，并提供了一個(gè)理想的無線協(xié)議平臺(tái)，以保證協(xié)議的無縫連接、安全性、低功耗以及抗干擾性能。對(duì)于應(yīng)用層，nRF24LEl提供主從SPI接口，UART，6～12位A／D轉(zhuǎn)換器，PWM，模擬比較器，定時(shí)器以及外部中斷等外設(shè)功能，以滿足測(cè)量與控制需要。

nRF24LEl構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)采集模塊主電路如圖2所示。

3 無線USB模塊電路

無線USB模塊電路由nRF24LUl+實(shí)現(xiàn)。nRF24LUl+內(nèi)置有2．4 GHz射頻收／發(fā)內(nèi)核，支持12 Mh／s全速USB接口，具有2 Mb／s的空中無線速率。具有內(nèi)部穩(wěn)壓器，直接使用USB總線供電，而不需要外部穩(wěn)壓器，節(jié)約成本和PCB板空間。集成的PLL鎖相環(huán)合成器可為射頻及USB提供時(shí)鐘，無需外部濾波、諧振器和壓控二極管，只需要低成本的±6×10-9精度的16 MHz晶體。nRF24LUl+構(gòu)成的無線USB模塊電路如圖3所示。

4 外圍電路

4．1 天線輸出

nRF24LEl和nRF24LUl+的ANTl和ANT2輸出引腳給天線提供平衡的射頻輸出，該輸出引腳必須有到VDD_PA的直流通路，通過高頻的扼流圈或平衡偶極子天線的中心點(diǎn)。以nRF24LUl+為例．獲得最大輸出功率推薦0 dBm，推薦使用(15+j88)Ω的負(fù)載，通過一個(gè)簡(jiǎn)單的匹配網(wǎng)絡(luò)在ANTl和ANT2及負(fù)載之間，也可以獲得一個(gè)較低的負(fù)載阻抗(如50 Ω)。

4．2 晶體振蕩器

用于nRF24LEl和nRF24LUl+的晶體振蕩器必須滿足產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格的要求。必須使用一個(gè)低負(fù)載電容的晶體來獲得低功耗和快速的啟動(dòng)時(shí)間。低負(fù)載電容C0對(duì)降低功耗和加快啟動(dòng)時(shí)間有利，但可能會(huì)增加成本。典型取值C0=1．5 pF，最大取值C0max=7．0 pF。晶體負(fù)載電容CL需要考慮電路板上的分布電容，以及從XCl和XC2引腳上的電容(典型值為1pF)。

4．3 PCB設(shè)計(jì)

良好的PCB布局是保證獲得好的射頻性能的基礎(chǔ)，一個(gè)完全經(jīng)過驗(yàn)證的nRF24LEl和nRF24LUl+及其周圍元件包括匹配網(wǎng)絡(luò)的布局可以在WWW．nordicsemi．no下載獲得。PCB設(shè)計(jì)至少需要雙層板，需要專門的接地層以獲得最佳性能。nRF24LEl和nRF24LUl+的直流供電必須盡可能靠近VDD引腳放置，并用高頻電容進(jìn)行耦合，電容值和PCB布局參見相關(guān)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)。

nRF24LEl和nRF24LUl+的供電電源必須經(jīng)過良好的濾波，并且電源走線與任何數(shù)字電路供電分開。應(yīng)該避免PCB上有長(zhǎng)電源走線，所有的器件地，VDD連接和VDD旁路電容應(yīng)盡可能靠近nRF24LEl和nRF24LUl+放置，VSS引腳應(yīng)直接連接至大面積的敷銅地，或者通過過孔連接到接地層，即過孔盡可能靠近所連接的VSS焊盤，每個(gè)VSS引腳應(yīng)確保至少有1個(gè)過孔連接。

滿幅數(shù)據(jù)或控制信號(hào)不能與晶體或供電電源走線距離太近。器件底部的金屬片連接到其基底地，推薦PCB設(shè)計(jì)時(shí)將其懸空。

5 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件開發(fā)可以在Nordic公司提供的nRFgo嵌入式仿真開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行。nRFgo嵌入式仿真開發(fā)平臺(tái)可以提供功能演示、*估開發(fā)、實(shí)時(shí)仿真、芯片燒錄等多項(xiàng)功能，并可以與Keil開發(fā)環(huán)境無縫鏈接。

5．1 增強(qiáng)型Sllock Burst模式的PTX

系統(tǒng)工作在增強(qiáng)型Shock Burst模式的PTX程序流程如圖4所示。通過設(shè)置RFCON寄存器中的rfce位為高，激活PTX模式。如果當(dāng)前在TX FI-FO有數(shù)據(jù)，射頻收／發(fā)進(jìn)入發(fā)射模式并發(fā)送數(shù)據(jù)包。如果自動(dòng)重發(fā)使能，狀態(tài)機(jī)將檢查是否NO_ACK標(biāo)志已經(jīng)置位，如果沒有置位，射頻收／發(fā)部分將進(jìn)入接收模式接收ACK包。如果收到的是空ACK包，將只有TX_DS TRQ中斷被設(shè)置。如果ACK包包含載荷，TX_DS IRQ和RX_DR_IRQ2個(gè)中斷均在射頻收／發(fā)返回待機(jī)模式I前被同時(shí)設(shè)置。

如果在接收超時(shí)前沒有收到ACK包，射頻收／發(fā)將進(jìn)入待機(jī)模式Ⅱ，并將一直停留在待機(jī)模式Ⅱ直到ARD到來。如果還未達(dá)到ARC所定義的重發(fā)次數(shù)，射頻收／發(fā)部分將進(jìn)入發(fā)射模式再次重發(fā)上一個(gè)包。當(dāng)執(zhí)行自動(dòng)重發(fā)功能時(shí)，最大重發(fā)次數(shù)由ARC定義。當(dāng)達(dá)到最大重發(fā)次數(shù)時(shí)，射頻收／發(fā)部分設(shè)置MAX_RT IRQ中斷并返回待機(jī)模式I。如果RFCON寄存器中為高而TX FIF0為空，射頻收／發(fā)部分進(jìn)入待機(jī)模式Ⅱ。

5．2 增強(qiáng)型Shock Burst模式的PRX

系統(tǒng)工作在增強(qiáng)型Shock Burst模式的PRX程序流程如圖5所示。

通過設(shè)置RFCON寄存器中的rfee位為高激活PRX模式。射頻收／發(fā)部分進(jìn)入接收模式并搜索有效數(shù)據(jù)包。如果收到數(shù)據(jù)包并且自動(dòng)應(yīng)答已經(jīng)使能，射頻收／發(fā)部分將確定是否為新的數(shù)據(jù)包：如果是新的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)載荷將移入RXFIFO并且RX_DR IRQ中斷將被置位；如果收到的帶載荷的應(yīng)答包TX_DS IRQ中斷將指示PTX收到一個(gè)帶載荷的應(yīng)答包；如果NO_ACK標(biāo)志在接收到的應(yīng)答包中沒有被置位，PRX進(jìn)入發(fā)射模式：如果TX FIFO中有一個(gè)掛起的載荷，將被附在應(yīng)答包中發(fā)送出去。ACK應(yīng)答包發(fā)送完成后，射頻收／發(fā)返回接收模式；如果應(yīng)答包丟失，將會(huì)再次收到上一個(gè)包，PRX將丟棄此包并在返回接收模式前發(fā)送一個(gè)應(yīng)答包。

6 結(jié)束語

所設(shè)計(jì)的無線樓宇設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)采用nRF24LEl無線數(shù)據(jù)采集模塊和nRF24LUl+無線USB模塊，具有低功耗、處理速度快、使用安裝靈活、傳輸速度快、可靠性高、安裝費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)證明該測(cè)控系統(tǒng)能夠滿足智能化樓宇測(cè)量與控制需要。