楼宇设备测控系统的无线数据采集与传输模块设计

楼宇设备测控系统是智能建筑的重要组成部分，该系统将对整栋楼宇的空调制冷系统、给排水系统、变配电系统、照明系统、电梯、消防、安全防范系统等进行信号采集和控制，实现楼宇设备管理自动化，起到集中管理、分散控制、节约能耗的作用。
    对于已经投入运行的建筑安装有线楼宇测控设备则比较困难与麻烦，但采用无线组网技术可以方便地完成楼宇测控设备安装布置，其组网灵活，安装施工费用低廉，并能根据需要重新布置楼宇设备测控系统，具有可移动性。

1 系统结构
    楼宇设备测控系统包括nRF24LEl无线数据采集与控制模块、nRF24LUl+无线USB接口模块和PC机构成的楼宇设备测控中心，系统方框图如图l所示。

    无线数据采集与控制模块实时监测和控制各楼宇设备子系统，负责各个子系统现场实时状态数据的采集、缓存和转发，并实时将各子系统监控的状态变化以无线方式，通过无线USB接口模块传送给监控中心。同时，监控中心也通过无线USB接口模块以无线方式将控制命令传送给无线数据采集模块，实现各楼宇设备子系统的控制。

2 无线数据采集模块电路
    无线数据采集模块是以nRF24LEl低成本、高性能的嵌入式微处理器智能射频收发器为核心。
    nRF24LEl是一款适合超低功耗无线应用的SoC，片上集成了Intel805l 8位微处理器、nash存储器、低功耗振荡器、实时计数器、AES硬件加密器、随机数据发生器、节能控制等部件，并提供了一个理想的无线协议平台，以保证协议的无缝连接、安全性、低功耗以及抗干扰性能。对于应用层，nRF24LEl提供主从SPI接口，UART，6～12位A／D转换器，PWM，模拟比较器，定时器以及外部中断等外设功能，以满足测量与控制需要。
    nRF24LEl构成的无线数据采集模块主电路如图2所示。

3 无线USB模块电路
    无线USB模块电路由nRF24LUl+实现。nRF24LUl+内置有2．4 GHz射频收／发内核，支持12 Mh／s全速USB接口，具有2 Mb／s的空中无线速率。具有内部稳压器，直接使用USB总线供电，而不需要外部稳压器，节约成本和PCB板空间。集成的PLL锁相环合成器可为射频及USB提供时钟，无需外部滤波、谐振器和压控二极管，只需要低成本的±6×10-9精度的16 MHz晶体。nRF24LUl+构成的无线USB模块电路如图3所示。

4 外围电路
4．1 天线输出
    nRF24LEl和nRF24LUl+的ANTl和ANT2输出引脚给天线提供平衡的射频输出，该输出引脚必须有到VDD_PA的直流通路，通过高频的扼流圈或平衡偶极子天线的中心点。以nRF24LUl+为例．获得最大输出功率推荐0 dBm，推荐使用(15+j88)Ω的负载，通过一个简单的匹配网络在ANTl和ANT2及负载之间，也可以获得一个较低的负载阻抗(如50 Ω)。
4．2 晶体振荡器
    用于nRF24LEl和nRF24LUl+的晶体振荡器必须满足产品技术规格的要求。必须使用一个低负载电容的晶体来获得低功耗和快速的启动时间。低负载电容C0对降低功耗和加快启动时间有利，但可能会增加成本。典型取值C0=1．5 pF，最大取值C0max=7．0 pF。晶体负载电容CL需要考虑电路板上的分布电容，以及从XCl和XC2引脚上的电容(典型值为1pF)。
4．3 PCB设计
    良好的PCB布局是保证获得好的射频性能的基础，一个完全经过验证的nRF24LEl和nRF24LUl+及其周围元件包括匹配网络的布局可以在WWW．nordicsemi．no下载获得。PCB设计至少需要双层板，需要专门的接地层以获得最佳性能。nRF24LEl和nRF24LUl+的直流供电必须尽可能靠近VDD引脚放置，并用高频电容进行耦合，电容值和PCB布局参见相关器件数据手册。
    nRF24LEl和nRF24LUl+的供电电源必须经过良好的滤波，并且电源走线与任何数字电路供电分开。应该避免PCB上有长电源走线，所有的器件地，VDD连接和VDD旁路电容应尽可能靠近nRF24LEl和nRF24LUl+放置，VSS引脚应直接连接至大面积的敷铜地，或者通过过孔连接到接地层，即过孔尽可能靠近所连接的VSS焊盘，每个VSS引脚应确保至少有1个过孔连接。
    满幅数据或控制信号不能与晶体或供电电源走线距离太近。器件底部的金属片连接到其基底地，推荐PCB设计时将其悬空。

5 系统程序设计
    系统软件开发可以在Nordic公司提供的nRFgo嵌入式仿真开发平台上进行。nRFgo嵌入式仿真开发平台可以提供功能演示、评估开发、实时仿真、芯片烧录等多项功能，并可以与Keil开发环境无缝链接。
5．1 增强型Sllock Burst模式的PTX
    系统工作在增强型Shock Burst模式的PTX程序流程如图4所示。通过设置RFCON寄存器中的rfce位为高，激活PTX模式。如果当前在TX FI-FO有数据，射频收／发进入发射模式并发送数据包。如果自动重发使能，状态机将检查是否NO_ACK标志已经置位，如果没有置位，射频收／发部分将进入接收模式接收ACK包。如果收到的是空ACK包，将只有TX_DS TRQ中断被设置。如果ACK包包含载荷，TX_DS IRQ和RX_DR_IRQ2个中断均在射频收／发返回待机模式I前被同时设置。

    如果在接收超时前没有收到ACK包，射频收／发将进入待机模式Ⅱ，并将一直停留在待机模式Ⅱ直到ARD到来。如果还未达到ARC所定义的重发次数，射频收／发部分将进入发射模式再次重发上一个包。当执行自动重发功能时，最大重发次数由ARC定义。当达到最大重发次数时，射频收／发部分设置MAX_RT IRQ中断并返回待机模式I。如果RFCON寄存器中为高而TX FIF0为空，射频收／发部分进入待机模式Ⅱ。
5．2 增强型Shock Burst模式的PRX
    系统工作在增强型Shock Burst模式的PRX程序流程如图5所示。

    通过设置RFCON寄存器中的rfee位为高激活PRX模式。射频收／发部分进入接收模式并搜索有效数据包。如果收到数据包并且自动应答已经使能，射频收／发部分将确定是否为新的数据包：如果是新的数据包，数据载荷将移入RXFIFO并且RX_DR IRQ中断将被置位；如果收到的带载荷的应答包TX_DS IRQ中断将指示PTX收到一个带载荷的应答包；如果NO_ACK标志在接收到的应答包中没有被置位，PRX进入发射模式：如果TX FIFO中有一个挂起的载荷，将被附在应答包中发送出去。ACK应答包发送完成后，射频收／发返回接收模式；如果应答包丢失，将会再次收到上一个包，PRX将丢弃此包并在返回接收模式前发送一个应答包。

6 结束语
    所设计的无线楼宇设备测控系统采用nRF24LEl无线数据采集模块和nRF24LUl+无线USB模块，具有低功耗、处理速度快、使用安装灵活、传输速度快、可靠性高、安装费用低廉等优点，试验证明该测控系统能够满足智能化楼宇测量与控制需要。