基于nRF905和GPRS的智能家居用电监测系统

董 宇,杨 强,颜文俊

（浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027）

近年来,伴随着智能家居和智能建筑技术的进步，相关领域的研究工作逐步开展，其中相关的自动化设备的设计和应用也已经开始。然而，人们常常忽视了智能家居领域中一个非常重要的课题——电量监测。电量监测不仅影响人们的日常生活，而且对家用电器的使用寿命也有很大的影响。因此，对于电量监测的研究必然要成为智能家居研究领域中一个重要研究方向。随着网络技术和通信技术的不断发展，实现智能家居的用电监测已经成为了一种必然趋势。设计电量监测系统的关键技术之一就是各种家用电器的联网问题，进而实现家用电器集中控制和管理。为了实现家居中多个电器的数据传输以及远程控制的目的，本文采用GPRS和射频信号进行数据传输和组网。GPRS网络通信业务是由通信公司推出的一项数据传输通信业务，在GPRS网络覆盖区域内，GPRS通信具有数据传输距离不受限制、通信费用相对低廉、传输速率较快等优点。虽然GPRS的设备成本和运行费用不是很高，但在无线家居网络中给每个家用电器配置一个GPRS模块的做法并不合适。通常的设计方案是，同一区域内只配置一个装有GPRS模块的监测终端，再由该GPRS终端模块与远程监控中心进行数据通信，同时为家用电器配置无线射频模块，将电器参数发送给GPRS监控终端。无线射频模块选用nRF905芯片，nRF905芯片是挪威Nordic公司推出的单片射频收发器。芯片工作电压为DC1.9～3.6 V，32引脚QFN封装，内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制,工作在433/868/915 MHz三个ISM频段,频段之间收发模式切换时间小于 650 μs[1]；GPRS模块选用华为的 GTM900-C，内嵌TCP/IP、PPP拨号协议，加上通用的RS-232接口和丰富的AT指令集，就可以完成可靠的数据通信[2]。本文提出了一种基于nRF905和GPRS模块的智能家居用电监测系统的设计方案，采用嵌入式实时多任务操作系统，实现了对智能家居中家用电器的电量参数采集，并把它们构成了区域性无线通信网络，使整个智能家居的无线系统更加经济、稳定。

1 整体设计方案

1.1 整体结构设计

智能家居用电监测系统由具有无线射频信号收发功能的智能无线电参数测量插座、带有nRF905和GPRS模块的互动监测终端和远程监控中心三部分组成。考虑到对无线通信协议的基本要求以及对系统的性能稳定性和可靠性的要求，无线通信网络必须选择合理的拓扑结构。目前在无线领域中应用广泛的拓扑结构有星型网络结构、网状拓扑结构、星-网混合结构[3]。本系统采用星型网络，该网络是一个单跳系统，网络中所有无线节点都与基站进行双向通信，各节点间并不通信，其系统结构如图1所示。

图1 系统结构示意图

1.2 系统通信层次结构设计

本系统的通信层次采用底层通信和顶层通信两层通信结构，底层通信为无线射频通信部分，顶层通信为GPRS通信部分。底层局域网中的智能无线插座构成了无线局域网的数据采集节点，并将采集的数据信息传送给互动监测终端，终端设有的GPRS模块可以无线接入Internet，进一步将底层的数据及报警信息传送给远程监控中心。系统通信层次结构如图2所示。

图2 系统通信层次示意图

2 系统的硬件设计

2.1 插座的硬件设计

智能无线电参数测量插座的任务是完成家用电器的电能量采集和计算，通过nRF905无线模块向互动监测终端提供电能数据，并实时等待互动监测终端的指令。插座硬件系统主要由CPU系统控制模块、电能参数采集与调理模块、无线射频模块和继电器模块等几大模块组成，系统结构框图如图3所示。

智能无线电参数测量插座采用具有国际领先水平的电能计量芯片ATT7035作为核心芯片。它是一款 SoC芯片(System-on-Chip)，集成了单相计量、处理器、电源管理、时钟管理、PLL、JTAG调试等功能。同时又是基于8位CPU52设计，具有 8052兼容指令集和总线结构，片内集成按键、串行通信、LCD、SPI、I2C等外设，可直接驱动液晶显示器，端口具有跳变中断功能，方便接收键盘输入信号；还可进入休眠模式，降低功耗。

图3 智能无线电参数测量插座系统结构图

通过电压和电流的采集调理模块将采集的电压和电流信号送入计量芯片ATT7035的Σ-ΔADC以及数字信号处理部分。ADC完成电流信号和电压信号的采样，数字信号处理部分完成有功功率与有功电能、无功功率与无功电能、视在功率与视在电能、电压有效值、电流有效值及频率计算等计量功能。处理结果通过SPI方式送到nRF905的无线射频部分进行无线发送，图4给出了电量参数测量的主电路图。

2.2 终端的硬件设计

互动监测终端的任务是把智能无线电参数测量插座采集的数据递交给家居远程监控中心,或将远程监控中心发出的命令传达给每个插座,起到沟通GPRS系统和无线局域网系统的作用。互动监测终端结构如图5所示。

图5 互动监测终端系统结构图

互动监测终端以三星的S3C2440A微处理器为核心，集监控、通信、数据存储、人机交互为一体；系统集成的nRF905和GTM900-C通信模块分别用于实现基于无线局域网和GPRS网络的无线通信。通信方面，微处理器S32440A通过自带的SPI口与nRF905进行通信，以串口的方式与GPRS模块进行通信。

3 系统的软件设计

3.1 nRF905无线系统的通信设计

通信协议是通信双方为实现信息交换而制定的规则。通信协议设计是软件设计的重点，也是通信可靠性的保证[4]。由于无线收发模块的特性，通信可能在发射端与接收端之间受到外界的干扰而使数据发生错误,需要通信协议来保证接收端能正确地接收数据,并确定所接收数据是否为实际数据。nRF905组成的局域无线系统的通信协议格式如图6所示。

其中，Preamble为引导字节，Address为接收机地址，IC为识别码，Data为有效数据，CRC为校验码。当nRF905处于发送模式，Address、IC和Data由微控制器按顺序送入无线射频模块，Preamble和CRC由nRF905自动加载；当nRF905处于接收模式，nRF905先对 Preamble、Address和CRC进行验证，验证正确后再将IC和Data送入微控制器进行处理。

智能无线电参数测量插座要发送数据时，首先初始化nRF905寄存器，然后通过SPI接口，按时序把接收机的地址、识别码和发送的数据传送给nRF905，同时置高TRX_CE和TX_EN引脚，此时无线射频模块处于发送模式，当发送过程完成，DR引脚为高，此时置低TRX_CE，nRF905进入空闲模式。nRF905发送流程如图7所示。

图7 nRF905发送流程图

智能无线插座要接收数据时，此时TRX_CE为高、TX_EN为低，nRF905进入接收模式，nRF905不断监测，等待接收数据。当监测到同一频段的载波时，CD置高；当接收到相匹配的地址时，AM被置高；当一个数据包接收完毕时，DR引脚被置高,此时,置低 TRX_CE,nRF905进入空闲状态，微控制器通过SPI接口将nRF905数据缓冲区内的数据读出。nRF905接收流程如图8所示。

3.2 终端的软件设计

互动监测终端程序设计是采用嵌入式Linux操作系统完成的，通过Linux操作系统建立和管理相应的进程来实现模块化程序设计，各个进程的同步协调可以通过Linux的优先级与信号量机制来实现。根据系统的功能要求，建立各自的进程来实现nRF905和GPRS通信任务。同时，本设计中应用了嵌入式实时数据库Berkeley DB存储技术以及Qt/Embedded显示技术，使得监测系统人机交互性能好,数据处理速度快，用户操作简洁。图9给出互动监测终端的程序流程图。

3.3 监控中心的软件设计

家居远程监控中心采用客户端/服务器模式。GPRS模块作为客户端，请求与家居远程监控中心进行网络通信；家居远程监控中心作为服务器，侦听网络的连接请求。本设计应用微软公司提供的MFC类库进行网络程序设计，采用面向连接的可靠性强的TCP协议编写可视化的 Socket服务器程序[5]。

4 系统测试实验

在系统测试之前，测量芯片必须要经过标准的校验台校正。经过电表公司标准校验台的补偿校正，测量误差限定在0.5%之内，满足了普通电表等级的要求，在没有行业标准的情况下以此作为设计依据。在系统整体设计完成后，对系统进行了测试实验。搭载各类负载时的实验数据如表1所示。

表1 实验测试结果

智能无线电参数测量插座连接到笔记本电脑，采集笔记本电脑的电能量参数，包括电压、电流、有功功率、频率等电能信息，然后通过nRF905射频模块传输到互动监测终端，智能无线电参数测量插座所采集的电能数据在互动终端的显示界面上显示，最后再由互动监测终端通过GPRS模块向远程监控中心发送数据，由远程监控中心采取合理科学的控制策略来控制家居中家用电器的运行状态，提供人们舒适的生活环境。实验室证明该系统的通信方案是可行的。

本设计方案除了能保证家居中家用电器的安全正常运行外，还能将智能无线电参数测量插座采集的用电量信息通过互动终端传输到远程控制中心。在远程监控中心中，可以根据家用电器的运行数据来定制科学合理的运行策略以达到安全可靠运行和节能的目的。无线射频的传输能力在室内可达100 m，在互动终端的管理下，可将多个插座联合组成一套完整的区域用电器网络监控系统，有效协调和管理所有家用电器，保证区域运行安全。

[1]荚庆,王代华,张志杰.基于 nRF905的无线数据传输系统[J].国外电子元器件,2008(1)：29-31.

[2]孟凡勇，崔晓静.基于射频传感网络与GPRS的监测系统设计[J].空间电子技术,2011(4)：18-19.

[3]曹世超.基于射频技术的分布式无线监测系统的设计[D].重庆：重庆大学，2009:30-38.

[4]周秋石.无线局域网络节点模块的研究与初步实现[D].大连：大连交通大学，2008:32-42.

[5]任泰明.TCP/IP网络编程[M].北京：人民邮电出版社，2009:216-339.