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,。電量監(jiān)測不僅影響人們的日常生活，而且對家用電器的使用壽命也有很大的影響,。因此,，對于電量監(jiān)測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)測已經(jīng)成為了一種必然趨勢,。設(shè)計(jì)電量監(jiān)測系統(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)為家用電器配置無線射頻模塊,，將電器參數(shù)發(fā)送給GPRS監(jiān)控終端。無線射頻模塊選用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 ?滋s[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)域性無線通信網(wǎng)絡(luò),，使整個(gè)智能家居的無線系統(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)測系統(tǒng)由具有無線射頻信號(hào)收發(fā)功能的智能無線電參數(shù)測量插座,、帶有nRF905和GPRS模塊的互動(dòng)監(jiān)測終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心三部分組成,。考慮到對無線通信協(xié)議的基本要求以及對系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性和可靠性的要求,，無線通信網(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,。

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)中的智能無線插座構(gòu)成了無線局域網(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)測終端,，終端設(shè)有的GPRS模塊可以無線接入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,。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1 插座的硬件設(shè)計(jì)
    智能無線電參數(shù)測量插座的任務(wù)是完成家用電器的電能量采集和計(jì)算,，通過nRF905無線模塊向互動(dòng)監(jiān)測終端提供電能數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)等待互動(dòng)監(jiān)測終端的指令,。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,。

    智能無線電參數(shù)測量插座采用具有國際領(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。
　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、無功功率與無功電能,、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的無線射頻部分進(jìn)行無線發(fā)送,，圖4給出了電量參數(shù)測量的主電路圖。

    互動(dòng)監(jiān)測終端以三星的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)基于無線局域網(wǎng)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線通信。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,。
    智能無線電參數(shù)測量插座要發(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,。

    智能無線插座要接收數(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,，等待接收數(shù)據(jù),。當(dāng)監(jiān)測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Berkeley DB存儲(chǔ)技術(shù)以及Qt/Embedded顯示技術(shù),，使得監(jiān)測系統(tǒng)人機(jī)交互性能好,數(shù)據(jù)處理速度快,，用戶操作簡潔。圖9給出互動(dòng)監(jiān)測終端的程序流程圖,。

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)的連接請求。本設(shè)計(jì)應(yīng)用微軟公司提供的MFC類庫進(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)測試實(shí)驗(yàn)
    在系統(tǒng)測試之前，測量芯片必須要經(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,，測量誤差限定在0.5%之內(nèi)，滿足了普通電表等級的要求,，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，對系統(tǒng)進(jìn)行了測試實(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,。

    智能無線電參數(shù)測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)測終端，智能無線電參數(shù)測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,，還能將智能無線電參數(shù)測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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