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楼宇设备测控系统的无线数据采集与传输模块设计

时间:09-09 来源:互联网 点击:

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。

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