無線通訊在能耗采用體系中的運用范文

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硬件設計

1計量設備的接入

在工業(yè)控制場合，RS－485總線因其接口簡單，組網(wǎng)方便，傳輸距離遠等特點而得到廣泛應用．大多數(shù)RS－485通訊采用主從通訊方式，接口遵循TIA／EIA－485A標準，對傳輸?shù)男盘柌捎闷胶獍l(fā)送和差分接收［6］．采集部分采用的計量設備是具有RS－485串行通信接口且有功測量等級為1．0S的計量型單項電能表．考慮到總線型結構接入時，數(shù)據(jù)采集的延時會隨著總線上接入設備數(shù)量的增加呈線性增長的趨勢，因而不能充分滿足對數(shù)據(jù)采集實時性的要求．實際應用中電能表采用星型結構接入，每個計量設備都單獨使用一個串行端口通訊，避免了設定地址的繁瑣步驟，簡化了現(xiàn)場配置．電能表接線連接圖如圖2所示．220V市電的火線（L）和零線（N）分別接入各電能表的端口1和端口4，端口2和端口6分別接入民用負載．

2無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

無線數(shù)據(jù)傳輸需要考慮的主要因素包括發(fā)射功率、接收／發(fā)射天線增益、傳播損耗和接收靈敏度等，微控制器采用＋5V供電，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的芯片均采用＋3．3V供電，為了保證接口電平具有兼容性，需要通過電平轉(zhuǎn)換芯片MP2104實現(xiàn)3．3V與5V的雙向轉(zhuǎn)換．如圖4所示。通過適當調(diào)整這些因素可以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x．無線通信芯片選用Chipcon公司生產(chǎn)的一款CC1100單片射頻收發(fā)芯片．單片機與CC1100的電氣連接圖如圖3所示，該芯片具有500Kbps的最大無線數(shù)據(jù)傳輸速率，工作電壓在1．8～3．6V范圍之間，工作頻率為300MHz～1000MHz，接收靈敏度高、能耗非常低，－40℃～＋85℃的溫度范圍內(nèi)均可正常工作．CC1100芯片的內(nèi)部結構主要包括低噪聲放大器、積分器、ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器、自動增益控制器、頻率濾波器、壓控振蕩器和相移裝置．設計中的微控制器采用AT89S52單片機，內(nèi)部含有8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I／O口，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器／計數(shù)器，片內(nèi)晶振以及時鐘電路．單片機通過對SI、SCLK、GDO0、GDO1、GDO2和CSn的控制實現(xiàn)與CC1100芯片進行通信．地址和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，應將CSn口一直置低，并在時鐘上升延時進行數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)軟件設計

為了提供可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送數(shù)據(jù)時需要將數(shù)據(jù)打包后發(fā)送，通信數(shù)據(jù)包格式如圖5所示．即將較長的數(shù)據(jù)幀拆分為較短的數(shù)據(jù)幀并插入由硬件自動添加的附加信息位、同步字和在數(shù)據(jù)發(fā)送前由軟件添加的數(shù)據(jù)長度和地址位，同時根據(jù)寄存器的設置還應自動加入CRC校驗位等信息之后等待發(fā)送．接收數(shù)據(jù)的過程和發(fā)送過程相對，首先將接收到的數(shù)據(jù)解包，重新組合成完整的數(shù)據(jù)再經(jīng)處理后發(fā)給中心．數(shù)據(jù)采集射頻發(fā)射部分主程序的流程圖如圖6所示．由于在操作過程中需要運用到PC機與PIC之間的異步通信方式以及MCU內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，上電后不僅需要將89S52各個端口進行初始化操作，還要對內(nèi)部RAM、串口、定時器、CC1100等進行初始化，并啟動定時器開始記錄當?shù)叵鄬r間．延時1ms后，判斷接收的地址是否有效，若有效則開始采集電能表的數(shù)據(jù)并進行相關處理后存儲．此時，啟動CC1100并設置為發(fā)射模式，傳送數(shù)據(jù)采用半雙工通信方式，即收發(fā)器在發(fā)射時接收終端必須自動屏蔽，發(fā)射結束后恢復．運行過程中出現(xiàn)上位機命令標志位RX＝1時，則先執(zhí)行上位機命令．通信速率設定為250Kpbs，發(fā)送完數(shù)據(jù)后等待響應，接收超時或者是校驗出錯時，接收端將重新等待數(shù)據(jù)接收．在CC1100之間的通信過程中，接收方容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)溢出而導致RF無法繼續(xù)接受新的數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)通信異常的情況，此時需要對RF重新初始化并關中斷，再清空接收存儲器即可，只有接收到完整的數(shù)據(jù)后函數(shù)才能返回．

測試與驗證

為了測試所設計的無線通信模塊的工作效果，在程序中設定需要傳送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度設定為最大長度32字節(jié)，內(nèi)容為阿拉伯數(shù)字00－15、15－00．發(fā)送部分將設定好的程序下載到單片機89S52中，啟動CC1100并設置為發(fā)射模式，同時接收部分啟動CC1100并設置為接收模式．按下發(fā)送按鍵數(shù)據(jù)發(fā)送出去，接收部分通過RS232與電腦串口相連，通信的波特率設定為9600bps．如圖7所示為接收部分接收到的數(shù)據(jù)，接受距離為50m左右．通過實驗驗證了傳送距離為50m左右的無線數(shù)據(jù)可以準確接收，達到了預期的目的．

結論

大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)要綜合考慮多方面的因素，本文根據(jù)RS－485總線的特點，結合CC1100單片射頻芯片，通過對上位機和下位機硬件電路的設計和監(jiān)測系統(tǒng)軟件的設計，實現(xiàn)了用電能耗數(shù)據(jù)的無線傳輸．該系統(tǒng)具有成本低、通用性強、可靠性高等特點．

作者：吳烜席自強王莎單位：湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院