基于ARM 和nRF2401 的无线自动抄表系统

０引言传统的抄表收费方式存在许多弊端，如存在安全隐患、入户麻烦、管理费用过高等，已不适应现代物业管理的需要。

随着电子技术和通信技术的发展，自动抄表系统得以广泛应用，各类相关产品也层出不穷，人们对新产品也提出更高的要求。

本文提出了一种基于ＡＲＭ和ｎＲＦ２４０ｌ的无线自动抄表系统，通信质量好，成本低，工作可靠、经济实用，可以准确及时地将用户三表数据抄送上来，是一种理想的自动抄表解决方案，同时也是抄表收费系统发展的趋势［１］。

１系统的总体结构图１为无线抄表系统的总体结构，它可用于家庭内部三表或多表数据的抄送。

系统下层直接与水表、电表、煤气表等连接，上层与抄表中心主机连接，实现数据的远程抄送。

系统一般使用被动抄表方式。

上层模块接收到仪表中心的抄表命令时，通过无线方式向下层模块发送抄表指令。

下层模块主要有两个功能：一是当定点抄表时刻到达时，设备自动采集电表、水表、煤气表读数，并将该数据存储到串行ＥＥＰＲＯＭ存储器中；二是当下层模块接收到指令时，可以根据指令内容分别执行历史存储电量、水量、煤气量数据的传输或当前电表、水表、煤气表读数的采集传输，发送到上层模块，再由上层模块发送到仪表中心。

２系统的硬件实现２．１系统硬件结构测控基站组成由ＬＰＣ２１３１［２］、ｎＲＦ２４０１［３］、串行ＥＥＰＲＯＭＣＡＴ２４ＷＣ３２、ＭＡＸ４８５芯片及４８５总线等构成，如图２所示。

由于测控基站系统的ＬＰＣ２１３１拥有两个标准的硬件总线接口，因此本系统具有结构简单，成本低的特点。

主控基站组成由ＰＣ机、ＬＰＣ２１３１、ｎＲＦ２４０１、ＭＡＸ２３２芯片及２３２总线构成，如图２所示。

其主要功能是通过ＲＳ２３２接口从ＰＣ机中接收抄表指令，将该指令进行编码后进行无线传输，电表端设备收到该基于ＡＲＭ和ｎＲＦ２４０１的无线自动抄表系统李国辉１，李友红２，刘立新１，杨宏１（１．西安邮电学院电信系，西安７１００６１；２．辽宁鞍山台安供电公司，辽宁鞍山１１４１００）摘要：介绍了一种由ＬＰＣ２１３１ＡＲＭ微控制器和ｎＲＦ２４０１构成的射频无线自动抄表系统，详细地叙述了系统设计原理与软硬件的实现方法。

该系统具有结构简单、工作可靠、经济实用等特点。

关键词：自动抄表系统；ＬＰＣ２１３１；ｎＲＦ２４０１；操作系统中图分类号：ＴＭ９３３文献标识码：Ｂ文章编号：１００１－１３９０（２００７）０２－００２５－０４ＬＩＧｕｏ－ｈｕｉ１，ＬＩＹｏｕ－ｈｏｎｇ２，ＬＩＵＬｉ－ｘｉｎ１，ＹＡＮＧＨｏｎｇ１（１．Ｘｉ’ａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｘｉ’ａｎ７１００６１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔａｉ′ａｎＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＣｏｍｐａｎｙ，Ｔａｉ’ａｎ１１４１００，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＷｉｒｅｌｅｓｓａｕｔｏｍａｔｉｃｒｅｃｏｒｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＬＰＣ２１３１ａｎｄｎＲＦ２４０１ｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｔｄｅｓｃｒｉｂｅｓｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｉｔｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｓｉｍｐｌｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｓｅｒｖｉｃｅａｎｄｅｃｏｎｏｍｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔｉｃｒｅｃｏｒｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ＬＰＣ２１３１；ｎＲＦ２４０１；ｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍＷｉｒｅｌｅｓｓａｕｔｏｍａｔｉｃｒｅｃｏｒｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＡＲＭａｎｄｎＲＦ２４０１图１无线抄表系统的总体结构２５－－无线指令后，将待返回的数据编码并进行无线传输，然后ＰＣ机收到该无线数据，对信息进行处理并由相应程序进行显示。

２．２主要器件介绍２．２．１ＬＰＣ２１３１芯片ＬＰＣ２１３１是ＰＨＩＬＩＰＳ公司的ＡＲＭ７微控制器。

它基于一个支持实时仿真和跟踪的１６／３２位ＡＲＭ７ＴＤＭＩ－ＳＣＰＵ的微控制器，并带有３２ＫＢ嵌入的高速Ｆｌａｓｈ存储器。

１２８位宽度的存储器接口和独特的加速结构使３２位代码能够在最大时钟速率下运行。

对代码规模有严格控制的应用可使用１６位Ｔｈｕｍｂ模式将代码规模降低超过３０％，而性能的损失却很小。

ＬＰ２１３１采用６４脚封装，功耗低，拥有２个３２位定时器、８路１０位ＡＤＣ、脉宽调制（ＰＷＭ）输出以及多达４个的外部中断，通过片内ｂｏｏｔ装载程序实现在系统编程（ＩＳＰ）和在应用编程（ＩＡＰ）。

多个串行接口，包括２个１６Ｃ５５０工业标准ＵＡＲＴ、高速接口（４００ｋｂｐｓ）和２个ＳＰＩ接口，通过片内ＰＬＬ可实现最大为６０ＭＨｚ的ＣＰＵ操作频率［４］。

２．２．２ｎＲＦ２４０１芯片及工作原理２．２．２．１ｎＲＦ２４０１芯片ｎＲＦ２４０１芯片是挪威Ｎｏｒｄｉｃ公司推出的２．４Ｇ单片无线射频收发芯片，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置［５］。

该芯片具有接收灵敏度高、外围电路少、发射功率低、传输速率高、低功耗等优点。

ｎＲＦ２４０１芯片和蓝牙一样，都工作在２．４～２．５ＧＨｚＩＳＭ自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。

ｎＲＦ２４０１芯片支持多点间通信，比蓝牙具有更高的传输速度，其最高传输速率超过１Ｍｂｐｓ。

它采用Ｓｏｃ（ＳｙｓｔｅｍｏｎＣｈｉｐ）方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。

与蓝牙不同的是，ｎＲＦ２４０１没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。

更重要的是，ｎＲＦ２４０１比蓝牙产品更便宜。

所以ｎＲＦ２４０１是业界体积小、功耗低、外围元件少的低成本射频系统级芯片。

ｎＲＦ２４０１适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。

２．２．２．２ｎＲＦ２４０１芯片的工作原理（１）ＲＸ／ＴＸ模式ｎＲＦ２４０１的ＲＸＴＸ模式采用片上先进先出（ＦＩＦＯ）来进行低数据率的时钟同步和高数据率的传输，因此极大地降低了功耗。

发射主要通过ＭＣＵ接口引脚ＣＥ、ＣＬＫ１和ＤＡＴＡ来完成。

当ＭＣＵ请求发送数据时，置ＣＥ为高电平，此时的接收机地址和有效载荷数据作为ｎＲＦ２４０１的内部时钟，可用请求协议或ＭＣＵ将速率调至１Ｍｂｐｓ；置ＣＥ为低电平可激活发射。

接收主要使用ＭＣＵ接口引脚ＣＥ、ＤＲ１、ＣＬＫ１和ＤＡＴＡ来实现。

当正确设置射频数据包输入载荷的地址和大小后，置ＣＥ为高电平即可激活ＲＸ。

此后便可在ｎＲＦ２４０１监测信息输入，２００!ｓ内若收到有效数据包，则给ＭＣＵ一个中断并置ＤＲ１高电平，以使ＭＣＵ以时钟形式输出有效载荷数据，待系统收到全部数据后ｎＲＦ２４０１再置ＤＲ１为低电平，此时如果ＣＥ保持高电平，则等待新的数据包。

若ＣＥ置低电平，则开始接收新的序列。

（２）ＤｕｏＣｅｉｖｅｒ的双信道接收模式ｎＲＦ２４０１的ＤｕｏＣｅｉｖｅｒ技术为ＲＸ提供了两个独立的专用数字信道，因而可代替两个单独接收系统。

ｎＲＦ２４０１可以通过一个天线接口从相隔８ＭＨｚ的两个１Ｍｂｐｓ接收机上接收数据。

同时将两个数字信道的输出反馈到两个单独的ＭＣＵ接口。

具体的两个信道如下：数字信道１：ＣＬＫ１，ＤＡＴＡ，ＡＲ１；数字信道２：ＣＬＫ２，ＤＡＴＡ，ＤＯＵＴ２；数字信道２的频率比数字信道１的频率高出８ＭＨｚ。

３系统的软件设计３．１μＣＯＳＩＩ嵌入式操作系统嵌入式操作系统μＣＯＳＩＩ（ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ）是专为微控制器系统和软件开发而设计的公开源代码的抢占式实时多任务操作系统内核，是一段微控制器启动后首先执行的背景程序，作为整个系统的框架贯穿系统运行的始终。

对于对实时性和稳定性要求较高的无线抄表系统来说，引入μＣＯＳＩＩ无疑将大大改善其性能［６］。

２６－－μＣＯＳＩＩ的特点可以概括为以下几个方面：公开源代码，代码结构清晰、明了，注释详尽，组织有条理，可移植性好，可裁剪，可固化。

内核属于抢占式，最多可以管理６０个任务。

μＣＯＳＩＩ自１９９２年的第一版（μＣＯＳ）以来已经有好几百个应用，是一个经实践证明好用且稳定可靠的内核。

目前国内对μＣＯＳＩＩ的研究和应用都很多。

对于ＬＰＣ２１３１部分，根据整个装置实现的功能和对他的要求进行系统任务分割，并根据实际需要为各个任务分配优先级。

系统大致可分为如下几个任务：与上位机的串口通讯；与ｎＲＦ２４０１的通信；与三表的通信；与ＥＥＰＲＯＭ的通信。

对应每个任务，需要编写相应的应用程序，软件设计部分的关键技术有：（１）μＣＯＳＩＩ内核向ＬＰＣ２１３１中的移植，要根据处理器的特点合理地修改μＣＯＳＩＩ的３个与处理器相关的文件：ＯＳ＿ＣＰＵＨ，ＯＳ＿ＣＰＵ＿ＡＡＳＭ，ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ｃ．Ｃ。

主要是将文件中的汇编指令，改为ＡＲＭ７的汇编指令，并根据ＣＰＵ的特点对文件中寄存器的初值进行改写。

（２）内存配置问题。

对于存储器容量的设计，要综合考虑μＣＯＳＩＩ内核代码和应用程序代码的大小。

每个任务是独立运行的，必须给每个任务提供单独的栈空间（ＲＡＭ），ＲＡＭ总量的计算公式为：ＲＡＭ总量＝应用程序的ＲＡＭ需求＋内核数据区的ＲＡＭ需求＋各任务栈需求之总和＋最多中断嵌套所需堆栈。

３．２上层模块软件设计按照主控基站硬件电路设计，上层模块编程的基本思路是，系统上电时初始配置ｎＲＦ２４０１状态字，随后进入激活方式，ＬＰＣ２１３１接收到主机发送来的抄表命令后，通过射频无线通讯方式向测控基站发送命令，同时开始计时。

如果下层模块没有数据返回或者返回的数据是错误的，则上层模块会重新发送命令。

如图３主控基站软件流程图所示。

３．３下层模块软件设计按照测控基站硬件电路设计，下层模块编程的基本思路是，系统上电时初始配置ｎＲＦ２４０１状态字，随后进入激活方式，当收到上层模块发来的抄表命令时，ＭＣＵ首先检查地址。

如果地址不符，说明命令是发给其它模块的，则丢弃命令，继续等待。

如果地址符合，则将上层模块发来的命令转发给仪表，等待数据返回。

数据正常接收完毕后，则向上层发送数据，之后重新进入等待状态，如图４测控基站软件流程图所示。

３．４通信机制无线通信易受到干扰，一次发送的数据越长，受干扰的可能性越大。

所以应该把比较长的数据分成小的数据包分别发送。

主机与ＬＰＣ２１３１、ｎＲＦ２４０１之间的通信方式如下：传输速率为１１５２００ｂｐｓ，１个起始位、８个数据位、８个校验位、１个停止位。

数据帧的帧结构如表１所示。

２７－－表１数据帧的帧结构表２数据帧的帧结构ＬＰＣ２１３１、ｎＲＦ２４０１与ＬＰＣ２１３１、ｎＲＦ２４０１之间的通信方式如下：传输速率为９６００ｂｐｓ，１个起始位、８个数据位、奇校验位、１个停止位。

数据帧的帧结构如表２所示。