近年來,伴隨著智能家居和智能建筑技術的進步，相關領域的研究工作逐步開展，其中相關的自動化設備的設計和應用也已經開始。然而，人們常常忽視了智能家居領域中一個非常重要的課題——電量監測。電量監測不僅影響人們的日常生活，而且對家用電器的使用壽命也有很大的影響。因此，對于電量監測的研究必然要成為智能家居研究領域中一個重要研究方向。隨著網絡技術和通信技術的不斷發展，實現智能家居的用電監測已經成為了一種必然趨勢。設計電量監測系統的關鍵技術之一就是各種家用電器的聯網問題，進而實現家用電器集中控制和管理。為了實現家居中多個電器的數據傳輸以及遠程控制的目的，本文采用GPRS和射頻信號進行數據傳輸和組網。GPRS網絡通信業務是由通信公司推出的一項數據傳輸通信業務，在GPRS網絡覆蓋區域內，GPRS通信具有數據傳輸距離不受限制、通信費用相對低廉、傳輸速率較快等優點。雖然GPRS的設備成本和運行費用不是很高，但在無線家居網絡中給每個家用電器配置一個GPRS模塊的做法并不合適。通常的設計方案是，同一區域內只配置一個裝有GPRS模塊的監測終端，再由該GPRS終端模塊與遠程監控中心進行數據通信，同時為家用電器配置無線射頻模塊，將電器參數發送給GPRS監控終端。無線射頻模塊選用nRF905芯片，nRF905芯片是挪威Nordic公司推出的單片射頻收發器。芯片工作電壓為DC1.9～3.6 V，32引腳QFN封裝，內置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制,工作在433/868/915 MHz三個ISM頻段,頻段之間收發模式切換時間小于650 ?滋s[1]；GPRS模塊選用華為的GTM900-C，內嵌TCP/IP、PPP撥號協議，加上通用的RS-232接口和豐富的AT指令集，就可以完成可靠的數據通信[2]。本文提出了一種基于nRF905和GPRS模塊的智能家居用電監測系統的設計方案，采用嵌入式實時多任務操作系統，實現了對智能家居中家用電器的電量參數采集，并把它們構成了區域性無線通信網絡，使整個智能家居的無線系統更加經濟、穩定。

1 整體設計方案
1.1整體結構設計
    智能家居用電監測系統由具有無線射頻信號收發功能的智能無線電參數測量插座、帶有nRF905和GPRS模塊的互動監測終端和遠程監控中心三部分組成。考慮到對無線通信協議的基本要求以及對系統的性能穩定性和可靠性的要求，無線通信網絡必須選擇合理的拓撲結構。目前在無線領域中應用廣泛的拓撲結構有星型網絡結構、網狀拓撲結構、星-網混合結構[3]。本系統采用星型網絡，該網絡是一個單跳系統，網絡中所有無線節點都與基站進行雙向通信，各節點間并不通信，其系統結構如圖1所示。

1.2 系統通信層次結構設計
    本系統的通信層次采用底層通信和頂層通信兩層通信結構，底層通信為無線射頻通信部分，頂層通信為GPRS通信部分。底層局域網中的智能無線插座構成了無線局域網的數據采集節點，并將采集的數據信息傳送給互動監測終端，終端設有的GPRS模塊可以無線接入Internet，進一步將底層的數據及報警信息傳送給遠程監控中心。系統通信層次結構如圖2所示。

2 系統的硬件設計
2.1 插座的硬件設計
    智能無線電參數測量插座的任務是完成家用電器的電能量采集和計算，通過nRF905無線模塊向互動監測終端提供電能數據，并實時等待互動監測終端的指令。插座硬件系統主要由CPU系統控制模塊、電能參數采集與調理模塊、無線射頻模塊和繼電器模塊等幾大模塊組成，系統結構框圖如圖3所示。

    智能無線電參數測量插座采用具有國際領先水平的電能計量芯片ATT7035作為核心芯片。它是一款 SoC芯片(System-on-Chip)，集成了單相計量、處理器、電源管理、時鐘管理、PLL、JTAG調試等功能。同時又是基于 8 位CPU52 設計，具有 8052 兼容指令集和總線結構，片內集成按鍵、串行通信、LCD、SPI、I2C 等外設，可直接驅動液晶顯示器，端口具有跳變中斷功能，方便接收鍵盤輸入信號；還可進入休眠模式，降低功耗。
　通過電壓和電流的采集調理模塊將采集的電壓和電流信號送入計量芯片ATT7035的Σ-ΔADC 以及數字信號處理部分。ADC 完成電流信號和電壓信號的采樣，數字信號處理部分完成有功功率與有功電能、無功功率與無功電能、視在功率與視在電能、電壓有效值、電流有效值及頻率計算等計量功能。處理結果通過SPI方式送到nRF905的無線射頻部分進行無線發送，圖4給出了電量參數測量的主電路圖。

    互動監測終端以三星的S3C2440A微處理器為核心，集監控、通信、數據存儲、人機交互為一體；系統集成的nRF905和GTM900-C通信模塊分別用于實現基于無線局域網和GPRS網絡的無線通信。通信方面，微處理器S32440A通過自帶的SPI口與nRF905進行通信，以串口的方式與GPRS模塊進行通信。
3 系統的軟件設計
3.1 nRF905無線系統的通信設計
　　通信協議是通信雙方為實現信息交換而制定的規則。通信協議設計是軟件設計的重點，也是通信可靠性的保證[4]。由于無線收發模塊的特性，通信可能在發射端與接收端之間受到外界的干擾而使數據發生錯誤,需要通信協議來保證接收端能正確地接收數據,并確定所接收數據是否為實際數據。nRF905組成的局域無線系統的通信協議格式如圖6所示。

其中，Preamble為引導字節，Address為接收機地址，IC為識別碼，Data為有效數據，CRC為校驗碼。當nRF905處于發送模式，Address、IC和Data由微控制器按順序送入無線射頻模塊，Preamble和CRC由nRF905自動加載；當nRF905處于接收模式，nRF905先對Preamble、Address和CRC進行驗證，驗證正確后再將IC和Data送入微控制器進行處理。
    智能無線電參數測量插座要發送數據時，首先初始化nRF905寄存器，然后通過SPI接口，按時序把接收機的地址、識別碼和發送的數據傳送給nRF905，同時置高TRX_CE和TX_EN引腳，此時無線射頻模塊處于發送模式，當發送過程完成，DR引腳為高，此時置低TRX_CE，nRF905進入空閑模式。nRF905發送流程如圖7所示。

    智能無線插座要接收數據時，此時TRX_CE為高、TX_EN為低，nRF905進入接收模式，nRF905不斷監測，等待接收數據。當監測到同一頻段的載波時， CD置高；當接收到相匹配的地址時， AM被置高；當一個數據包接收完畢時，DR引腳被置高,此時,置低TRX_CE,nRF905進入空閑狀態，微控制器通過SPI接口將nRF905數據緩沖區內的數據讀出。nRF905接收流程如圖8所示。

3.2 終端的軟件設計
    互動監測終端程序設計是采用嵌入式Linux操作系統完成的，通過Linux操作系統建立和管理相應的進程來實現模塊化程序設計，各個進程的同步協調可以通過Linux的優先級與信號量機制來實現。根據系統的功能要求，建立各自的進程來實現nRF905和GPRS通信任務。同時，本設計中應用了嵌入式實時數據庫Berkeley DB存儲技術以及Qt/Embedded顯示技術，使得監測系統人機交互性能好,數據處理速度快，用戶操作簡潔。圖9給出互動監測終端的程序流程圖。

3.3 監控中心的軟件設計
    家居遠程監控中心采用客戶端/服務器模式。GPRS模塊作為客戶端，請求與家居遠程監控中心進行網絡通信；家居遠程監控中心作為服務器，偵聽網絡的連接請求。本設計應用微軟公司提供的MFC類庫進行網絡程序設計，采用面向連接的可靠性強的TCP協議編寫可視化的Socket服務器程序[5]。
4 系統測試實驗
    在系統測試之前，測量芯片必須要經過標準的校驗臺校正。經過電表公司標準校驗臺的補償校正，測量誤差限定在0.5%之內，滿足了普通電表等級的要求，在沒有行業標準的情況下以此作為設計依據。在系統整體設計完成后，對系統進行了測試實驗。搭載各類負載時的實驗數據如表1所示。

    智能無線電參數測量插座連接到筆記本電腦，采集筆記本電腦的電能量參數，包括電壓、電流、有功功率、頻率等電能信息，然后通過nRF905射頻模塊傳輸到互動監測終端，智能無線電參數測量插座所采集的電能數據在互動終端的顯示界面上顯示，最后再由互動監測終端通過GPRS模塊向遠程監控中心發送數據，由遠程監控中心采取合理科學的控制策略來控制家居中家用電器的運行狀態，提供人們舒適的生活環境。實驗室證明該系統的通信方案是可行的。
    本設計方案除了能保證家居中家用電器的安全正常運行外，還能將智能無線電參數測量插座采集的用電量信息通過互動終端傳輸到遠程控制中心。在遠程監控中心中，可以根據家用電器的運行數據來定制科學合理的運行策略以達到安全可靠運行和節能的目的。無線射頻的傳輸能力在室內可達100 m，在互動終端的管理下，可將多個插座聯合組成一套完整的區域用電器網絡監控系統，有效協調和管理所有家用電器，保證區域運行安全。
參考文獻
[1] 莢慶,王代華,張志杰.基于 nRF905的無線數據傳輸系 統[J].國外電子元器件,2008(1)：29-31.
[2] 孟凡勇，崔曉靜.基于射頻傳感網絡與GPRS的監測系統設計[J].空間電子技術,2011(4)：18-19.
[3] 曹世超.基于射頻技術的分布式無線監測系統的設計[D].重慶：重慶大學，2009:30-38.
[4] 周秋石.無線局域網絡節點模塊的研究與初步實現[D].大連：大連交通大學，2008:32-42.
[5] 任泰明. TCP/IP網絡編程[M].北京：人民郵電出版社，2009:216-339.