基于MSP43O和Zigbee的無線抄表終端設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種以MSP430F149單片機(jī)為核心的，基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的無線抄表終端。具體闡述了該終端的主要特點(diǎn)、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)具有運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各類水、電、氣表終端無線集中抄表中，具有良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：無線抄表；低功耗；Zigbee

1 引言
    隨著客戶數(shù)量的增多，特別是一戶一表的推廣，供電部門抄錄客戶用電數(shù)據(jù)的工作量成倍增加。傳統(tǒng)的手工抄表不但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，準(zhǔn)確性和及時(shí)性得不到可靠的保證，而且存在安全隱患、管理費(fèi)用過高等缺點(diǎn)，已不適應(yīng)現(xiàn)代電力企業(yè)管理的需要。近年來提出了多種遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表方式，但是遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)對通信技術(shù)的數(shù)據(jù)可靠性要求很高，對功耗的要求也很苛刻，各種遠(yuǎn)程抄表方式受技術(shù)或成本制約，推廣速度緩慢。本文給出了一種基于MSP430F149和Zigbee技術(shù)的無線自動(dòng)抄表終端，通信質(zhì)量好、工作可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可以準(zhǔn)確及時(shí)地將用戶電能表數(shù)據(jù)抄取上傳，是一種理想的自動(dòng)抄表解決方案。
    在諸多的無線方案中，我們選用了近幾年來一種新興的無線傳輸技-Zigbee技術(shù)。它是一種適合短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它采用IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，利用全球免費(fèi)的2．4 GHz公共頻率。Zigbee技術(shù)具有強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信，并且使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗非常低，但通信效率卻很高。其最大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間的自動(dòng)組網(wǎng)，并自行選擇最佳通信路由，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)退出或變更位置后，Zigbee網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)重新創(chuàng)建最佳路由。Zigbee技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)視、控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)，具有非常顯著的低成本、低耗電、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)安全等優(yōu)勢，目前被視為替代有線監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一。TI、Freescale等國際芯片巨頭都推出了比較成熟的Zigbee開發(fā)平臺。
    本設(shè)計(jì)選用了TI下屬Chipcon公司生產(chǎn)的CC2430芯片，它是一種符合ZigBee技術(shù)的2．4GHz射頻系統(tǒng)單芯片，此單芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位MCU，具有128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾個(gè)定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路，以及21個(gè)可編程I／O引腳。
    CC2430芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEES02．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2．4GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)；具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性；在休眠模式時(shí)僅0．9 μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)，在待機(jī)模式時(shí)少于0．6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)；適應(yīng)較寬的電壓范圍(2．0～3．6V)：集成AES安全協(xié)處理器。

2 抄表終端硬件設(shè)計(jì)
    本抄表終端的任務(wù)是接收上位機(jī)的指令，根據(jù)指令的要求抄取底層連接的數(shù)字電能表的各項(xiàng)參數(shù)和用電數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，并將數(shù)據(jù)備份在本終端上。另外還具有按照設(shè)定的時(shí)間間隔自動(dòng)抄取電能表數(shù)據(jù)并進(jìn)行備份的功能。為實(shí)現(xiàn)上述功能，并考慮現(xiàn)有的技術(shù)水平和工程實(shí)際，本抄表終端將由核心處理器、RS485接口電路、無線通信電路、日歷時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器電路和供電電路等幾部分組成。
    核心處理器采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)。為實(shí)現(xiàn)低功耗的要求，電路中采用高速和低速兩個(gè)晶振，由高速晶振產(chǎn)生頻率較高的MCL-K，以滿足CPU高速數(shù)據(jù)運(yùn)算的要求，在不需要CPU工作時(shí)關(guān)閉高速晶振，由低速晶振產(chǎn)生頻率較低的ACLK，運(yùn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘。日歷時(shí)鐘芯片采用PHILIPS公司的PCF8563。此芯片支持IIC總線接口，采用低功耗CMOS技術(shù)，具有較寬的工作電壓范圍1．0V～5．5V，在3．0V供電條件下，工作電流和休眠電流的典型值都為0．25μA，能記錄世紀(jì)、年、月、日、周、時(shí)、分、秒，具有定時(shí)、報(bào)警和頻率輸出功能。存儲(chǔ)器采用復(fù)旦微電子的FM24C04。此芯片是兩線制串行EEPROM，兼容IIC總線接口，采用低功耗CMOS技術(shù)，具有較寬的工作電壓范圍2．2V～5．SV，在3．0V供電條件下，額定電流為1mA，休眠電流典型值為5 μA，在掉電情況下，存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)能保存100年。
    MSP430F149在硬件上具有2路TTL電平的串行接口，一路經(jīng)SP3485芯片轉(zhuǎn)換成RS485串行接口后與連接在其底層的數(shù)字電能表通信，另一路直接與CC2430進(jìn)行通信。RS485總線被目前的絕大多數(shù)數(shù)字電能表所支持，其采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現(xiàn)通信，具有極強(qiáng)的抗共模干擾能力，信號可傳輸上千米，并且支持多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。而符合Zigbee協(xié)議的CC2430芯片支持TTL電平的串行接口，所以無須進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換，就可以與核心處理器進(jìn)行通信。
    本終端在設(shè)計(jì)的過程中所有器件的選型都考慮了低功耗要求，即使使用電池供電，每次更換電池也至少可以使用兩年。并且選用的元器件都支持3．3V電壓，全部電路只需要單一電源就可以穩(wěn)定運(yùn)行。 圖1是本終端的硬件原理圖，省略掉了電源穩(wěn)壓電路、濾波電路和一些外圍元件。圖中的LED1、LED2、LED3分別用于指示接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)和無線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

3 抄表終端軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)的總體思路為：處理器在完成初始化后，關(guān)閉CPU和主時(shí)鐘MCLK，進(jìn)入LPM3低功耗模式。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送來指令時(shí)，串口0產(chǎn)生中斷，使處理器進(jìn)入正常工作模式。處理器解釋收到的指令并根據(jù)指令內(nèi)容采取相應(yīng)的操作，如系統(tǒng)校時(shí)、初始化存儲(chǔ)器、添加表具信息、向串口1發(fā)送抄表指令等，然后再次進(jìn)入LPM3低功耗模式。當(dāng)?shù)讓与娔鼙戆l(fā)送來數(shù)據(jù)時(shí)，串口1產(chǎn)生中斷，使處理器進(jìn)入正常工作模式。處理器解釋數(shù)據(jù)并按照與上位機(jī)的通信規(guī)約將數(shù)據(jù)發(fā)送到串口0，并在本終端上做好數(shù)據(jù)備份。連接在串口0上的CC243嗵過Zigbee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送回上位機(jī)。[!--empirenews.page--]
    我們選用IAR公司的IAR Embedded Workbench IDE作為軟件開發(fā)平臺，此軟件針對MSP430系列單片機(jī)的C語言開發(fā)做了異常豐富的宏定義。為了使軟件開發(fā)簡單，可讀性強(qiáng)，我們采用C語言編寫代碼。由于MSP430F149的強(qiáng)大處理能力，使用C語言開發(fā)仍具有較好的代碼執(zhí)行效
率和極短的響應(yīng)時(shí)間。
    與底層電能表的通信協(xié)議采用《多功能電能表通信規(guī)約DL／T 645-1997》，這是國家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字電能表都要求符合本協(xié)議。協(xié)議中規(guī)定幀是傳送信息的基本單元，幀格式如表1所示。

    與上位機(jī)的通信采用自行編寫的協(xié)議，由本終端和上位PC機(jī)負(fù)責(zé)構(gòu)造協(xié)議幀和對協(xié)議的解釋，而只把Zigbee網(wǎng)絡(luò)當(dāng)成透明的通信信道。幀格式如表2所示：

    由于MSP430F149單片機(jī)沒有硬件IIC接口，我們在通用I／O口P1．0、P1．1上用軟件模擬IIC接口與PCF8563和FM24C04通信。讀PCF8563的子程序如下，寫程序以及讀寫FM24C04的子程序類似。

    軟件的流程圖如圖2所示：

 
4 結(jié)論
    無線自動(dòng)抄表是未來發(fā)展的必然趨勢，而在抄表系統(tǒng)的改造過程中，采用超低功耗MSP430F149作為核心處理器，結(jié)合自動(dòng)組網(wǎng)Zigbee技術(shù)研發(fā)的本抄表終端具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。本終端已經(jīng)在我校的教師公寓小區(qū)中進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明運(yùn)行穩(wěn)定可靠，到達(dá)了設(shè)計(jì)要求，具有很好的應(yīng)用前景。下一步我們將進(jìn)一步對終端進(jìn)行改進(jìn)，使其適用與水、氣、電三表合抄，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。