基于nRF401无线通信的实时监控告警系统设计

杨 宁， 张志伟1,2,

（1. 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室， 山西太原 030051； 2. 中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原 030051；3. 中北大学 信息与通信工程学院，山西太原 030051）

0 引言

在自动测量系统、报警和安全系统、遥控装置、车辆安全系统、工业控制、无线通信、电信终端等应用领域，无线数传以其较为成熟的技术，传输线的节省，使用方便的优势越来越被广泛关注。无线数传技术可以和传感等技术很好的衔接，各类传感器采集到的信号经过微控制器处理，无线收发装置进行传输。然而由于通信的空间复杂性，无线通信系统收发容易产生错误，接收到错误信息甚至在未发送数据的情况下也可能接收到干扰数据和随机数据信息。为及时发现该问题，解决该问题，本文设计一个监控告警系统。监控收发过程中的信息。该设计可实时监测数据，实时发现漏码信息和错误信息，找到故障点，及时停止发送错误信息，予以纠正后重新发送，以满足信息传输要求的准确性和可靠性。

1 无线数传通讯系统模块介绍

该模块包括基于nRF401芯片和AT89C51为微控制器的无线通讯模块和天线模块。

1.1 无线通讯模块

在众多无线收发芯片的比较中发现，nRF401芯片以其成本低，稳定性强，可靠性高，电路设计简单而广受欢迎。该芯片是一个为433MHZISM频段和315MHZISM频段设计的真正UHF无线收发芯片，它采用FSK调制解调技术，抗干扰能力强；其解调器是DC平衡的，因此可以使用任何一种协议，也可以使用各种'0'、'1'序列，因而无需进行曼彻斯特编码。可直接与微控制器接口；最高工作速率可达到20K bit/s，无需对数据进行曼彻斯特编码。该芯片采用PLL 频率合成技术，频率稳定性极好 ，具有两个信号通道，适合需要多信道工作的特殊场合；灵敏度高达-105 dBm,完全满足设计要求。其功耗小，发射时电源电流为8 mA，接收状态电流250 μA，待机状态仅为8 μA，发射功率可以调整，最大可达到+10 dBm。而且使用无需申请，开阔地的使用距离最远可达到1000m。图2即其典型应用电路图。

其结构如图1，芯片包含晶体振荡器（OSC），锁相环（PLL），压控振荡器（VCO），功率放大器（PA），低噪声接收放大器（LNA），在LNA与相乘器之间接有混频器（MIXER）等。

图1 nRF401芯片结构图

图2 nRF401应用电路图

从图3 收发流程图看到，在接收模式中，输入射频信号被低噪声放大器放大，经由混频器变换成中频信号，这个被变换的信号经过放大和滤波后送入解调器（DEM），经解调器解调，解调后的数字信号在DOUT 端输出，送入微控制器处理。而在发射模式中，压控振荡器的输出信号是直接送入到功率放大器，DIN 端输入的数字信号被频移键控后馈送到功率放大器输出。由于采用了晶体振荡和PLL 合成技术，频率稳定性极好。

图3 收发流程图

1.2 天线设计介绍

天线是一种转能器。发射时，它把发射机的高频电流转化成空间电磁波；接收时，它又把从空间截获的电磁波转换为高频电流送入接收机。良好的天线系统可使设计达到最佳通信距离。

如图4所示的差动到单端匹配网络，ANT1和ANT2是接收时LNA的输入，以及发送时功率放大器的输出，连接nRF401的天线是以差分方式连接的，天线端设计阻抗为400 Ω。

图4 差动到单端匹配网络（315 MHz）

2 监测系统设计

实时监测、控制工作状态，排除故障。接收模块信息缺失或出现错误时，进行报警，提示故障可能发生的原因、部位，及时纠错。初始状态时，设置芯片为接收模式，判断其接收的信号是否正确，监测，纠错，不正确或者未接到信号重新接收；信号正确再将其发送。

具体而言，把要监测的信号输入到信号监测单元，由信号监测单元完成监测，信号监测单元同时输出监测到的信号至告警模块。当信号出现中断或错误信息时，信号监测单元叠加告警信息到输出的信号中，同时输出告警信息到告警模块，告警模块则根据告警监测单元的地址，将告警信息显示出来，具体流程图见图5。

图6 监测系统流程图

2.1 数据采样的实现

当接收到微控制器的采集指令，将采集的模拟量值和开关量状态实时传送出去。

2.1.1 模拟量的采样

大信号取样需要进行滤波处理，主要采取的措施是LC滤波+有源滤波，LC滤波主要是滤除射频信号，有源滤波主要是滤除音频信号，从而有效地滤除叠加在模拟量上的射频及调制。具体单元电路如图7所示。2.1.2开关量的取样

图7 LC滤波+有源滤波

接收微控制器的控制指令，解析识别后，把相应的指令通过开关量输出传送给收发模块。

在开关量取样中，有些需采集的状态量是模拟信号，需将输入的各模拟监测信号转换成高低电平的开关量信号。其高电平H≈15 V，低电平L≈0 V。将这些变换后的开关量信号送出，进行传输、控制和故障显示。由于采集的信号常为瞬间脉冲状态，为了保证数据的准确，需经过一定时间延时，一般向脉冲计数器输出一个脉冲宽度为400ms左右时间的脉冲计数指令，从而保证相应的脉冲计数器正常工作。开关量取样经LC滤波后，加到功率驱动电路。

2.2 系统构成

根据装置原理、特点及自动化系统拟实现的目标，我们可选模拟量取样点、开关状态量取样，设计取样电路、滤波隔离电路等。再加上监测模块、告警模块等构成监测报警系统。

接收到的信号送入信号监测模块，若未收到信号则报警，若信号不一致或发生中断亦告警。将告警模块和监测单元相连，并在其上运行设置程序和信号监测程序，设置程序用来对监测单元进行设置，信号监测程序则负责接收告警信息，发出报警。利用信号监测程序可以对监测单元进行具体报警设置。找到故障点，重新发送信号。图8为实际电路工作原理图。图中上支路电路为音频信号检测报警。图中下支路电路为载波检测报警。

3 实验原理分析

图8中，每路采用一片单电源四运算放大器LM324，共作在电压比较器状态，供电电压+5 V。

3.1 音频信号检测报警

图8上支路电路为音频信号检测报警。音频信号经整流后作为调幅度的参考电平。经电路分析及实验，音频信号经过C1、C2、D1、D2、R1组成的倍压整流加于U1A的反相端，和同相端比较，当输入为高调幅时，输出则为0V，当输入为低调幅时，输出则为5 V。R2、C3组成延时电路，当连续低调幅20 s，U1A的5 V输出对C3充电使U2A的同相端电压高于反相端，输出5 V，点亮D4异态指示并触发报警器，从而响铃。D3的作用是高调幅信号到来，U1A输出为0 V，C3可通过D3快速放电，运行时只要调幅正常C3始终建不起足够的电压，U2A输出为0 V，不报警。其中延时时间由R3、C3的时间常数及反相端电压决定。

3.2 载波检测报警

图8下支路电路为载波检测报警。经电路分析及实验，调谐或者AGC电压经过R7、C4、C5滤波后加在U3A的反相端，与同相端比较，当全功率时反相端电压高，输出为0V。无功率时，反相端电压低，输出为5 V，点亮D6异态指示并触发报警器，从而响铃。其中，调整RV2可提高灵敏度，D5、D7起隔离作用。

4 结论

本文基于已较为成熟nRF401和单片机组合而成的收发模块，重点设计一监控告警模块。当信号出现故障时，可及时报警，发现纠错实现实时监控，以免已完成传送错误信号，影响整个系统可靠性。实验证明，出现故障时，该系统电路导通，触发报警器，响铃。达到了可实时发现故障，报警，从而纠正错误的目的。该方法可有效减少纠错时间，提高整个系统运行稳定性和可靠性。

[1]黄智伟.无线数字收发电路设计[M].北京:电子工业出版社,2003:512-519.

[2]朱宽胜,张彦炜.无线数据接收电路的研究与设计[J].中国新技术新产品, 2009(1):38-30.

[3]尚晓峰,徐鹏飞.基于射频的无线通信技术研究[J].现代电子技术,2010(19):11-15.

[4]乌戈涞.50KW短波发射机自动化控制管理系统硬件技术方案的实施[J].内蒙古广播与电视技术,2004(4):42-44.

[5]Nordic公司.nRF401中文手册[R].迅通科技,2001:2-3.

[6]吴静,吴晓燕,高忠长.基于模糊聚类和粗糙集的仿真可靠性模糊综合评估[J].系统工程与电子技术,2010, 32(4):770-773.

[7]刘亚军,青格勒图,柴启坤.中波发射机音频主备机切换及音频可视可听监控系统[J].内蒙古广播与电视技术,2005(2):39-41.

[8]金朱海.实用无线监测报警[J].内蒙古广播与电视技术,2005(2):64-65.

[9]Nordic VLSI ASA Inc.315/433MHz Single Chip RF Transceiver nRF401 Datesheet[EB/OL].http://www.nvlsi.no, 2012.

[10]Nordic VLSI ASA Inc.315/433MHz Single Chip RF Transceiver nRF403 Datesheet[EB/OL].http://www.nvlsi.no, 2012.

[11]Xemics Inc.XE1201A 300-500 MHz Low-Power UHF Transceiver[EB/OL].www.xemics.com, 2010.