基于nRF9E5和GPRS的无线抄表系统

传统的人工抄表不仅费时费力，而且不利于用电波峰波谷的统计。随着电子技术的发展，各种各样的电子式电能表以其精确度高、功能扩展性强等优势已被电力企业和用户广泛认可与接受，为实现远程自动抄表和电能计量信息化管理奠定了坚实的基础。随着通信技术的发展，自动抄表系统的通信方式也从电力载波、车载无线发展到目前的GPRS。基于GPRS通信网的自动抄表系统具有数据传输速度快、可靠性高、实时在线等优点，目前已经被广泛采用。虽然GPRS的设备成本和运行费用不是很高，但给每个电能表配置一个GPRS的做法并不合适。通常，同一区域内的电能表通过无线方式或RS232/485方式连接到安装在区域中心的GPRS上，再由GPRS与电能监控中心取得联系。
nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年2月推出的无线射频收发芯片，外接50Ω 天线且无遮挡时，信号有效发射距离可达800m 以上，有建筑物等遮挡时仍可达350m 左右。本文利用nRF9E5设计了具有无线接发功能的电子式电能表和与其相适应的GPRS装置，并把它们构成了区域性无线通信网络，使整个无线抄表系统更加经济。

1 nRF9E5芯片
nRF9E5芯片符合美国通信委员会和欧洲电信标准学会的相关标准，其内部结构框图如图1所示。

在nRF9E5芯片中，嵌入了nRF905无线收发芯片、集成增强型8051微处理器和4通道的10位ADC，内含1.22V 电压基准、电源管理、PWM、UART、SPI、逻辑接口电路、看门狗电路、多通道可编程唤醒电路等。nRF9E5没有复杂的通讯协议，完全对用户透明，同种产品之间可以自由通讯， 内置的CRC纠错硬件电路和协议免去了软件纠错编程和微控制器的纠错运算，降低了无线应用的开发难度。

2 无线抄表系统的组成
本文提出的无线抄表系统由具有无线接发功能的电子式电能表、带有nRF9E5和GPRS模块的中继装置、电能量监控中心三部分组成。其结构图如图2所示。

2.1电能表
电能表的任务是完成电能量的采集与计算，并向电能量监控中心提供电能数据。电能表以ADE7757作为电能测量芯片，nRF9E5中内置的8051微处理器为CPU。其硬件原理如图3所示。

电压传感器和电流传感器的信号送入ADE7757芯片内部的两个ADC以后，电压和电流被数字化处理。ADE7757内置的乘法器将电压和电流相乘，得到有功功率P(t)，ADE7757通过数字-频率转换器将功率转换成频率输出。内置8051微处理器的nRF9E5通过外部中断方式对ADE7757输出的脉冲进行基数，并根据脉冲频率和P(t)之间的比例关系得到用户的用电量。处理结果通过SPI方式送到nRF9E5的无线射频部分进行无线发送。
显示部分则将nRF9E5处理后的用电量显示出来，便于用户查看。显示部分采用带有键盘扫描的LED显示驱动电路MAX6955。该器件具有400kbps、与I2C兼容的2线串行接口，不仅简化了键盘/显示部分的硬件电路，而且减轻了nRF9E5的软件负担。
nRF9E5的程序存储在EEPROM 芯片25AA320中。系统上电或复位后，处理器自动执行ROM 引导区中的代码，将25AA320中的用户程序加载到内部RAM 中执行。

2.2 中继装置
中继装置的任务是把电能表发送的数据递交给电能量监控中心，或将电能量监控中心发出的命令传达给每块电能表，起到沟通GPRS系统和局域无线系统的作用。中断装置结构图如图4所示。

图4 中继装置硬件结构图
局域无线系统部分仍然采用nRF9E5，GPRS 部分采用 BENQ公司的M22A芯片。M22A的基带处理器与nRF9E5之间的信息交换通过UART来完成。
M22A 芯片符合EGSM900、DCS1800和PCS1900标准。片上无线单元主要完成信号的调制与解调，实现外部信号与内部基带处理器之间的信号转换。M22A芯片的SIM_CLK、SIM_RST 和SIM_IO 引脚与SIM 卡相连。SIM_CLK和SIM_RST分别为SIM 卡提供时钟和复位信号，SIM_IO则用于与SIM 卡之间的数据传输。
GPRS基于TCP/IP协议，监控中心的查询命令或控制命令可以通过Internet或GPRS通信网发送到中继装置的GPRS模块中，再通过nRF9E5组成的局域无线系统传送给各个电表。

3 无线抄表系统的通信设计
由nRF9E5组成的局域无线系统的通信协议格式为：

Preamble

Add

X

Data

CRC

其中，Preamble为引导字节，Add为接收机地址。X为识别码，Data为有效数据，CRC为校验码。
nRF9E5处于发射模式时，Add、X 和Data由微控制器按顺序送入射频模块，Preamble和CRC由nRF9E5自动加载。处于接收式时，nRF9E5先对Preamble、Add和CRC进行验证，验证正确后再将X和Data送入微控制器进行处理。当X和本机识别码一致时。继续处理后继数据，否则放弃该数据包。
当信道内有RF载波出现时，nRF9E5的CD脚被置高。在准备发送数据时，应检测信道是否可以用于发送数据， 以避免与其他收发器抢用相同信道的现象发生。其发送和接收数据流程分别如图5和图6所示。

图5 nRF9E5模块发送数据流程图