基于MSP43O和Zigbee的無線抄表終端設計

摘要：介紹了一種以MSP430F149單片機為核心的，基于Zigbee網(wǎng)絡的無線抄表終端。具體闡述了該終端的主要特點、硬件電路設計和軟件設計。試驗結果表明，該設計具有運行穩(wěn)定，可靠性高的特點，可廣泛應用于各類水、電、氣表終端無線集中抄表中，具有良好的應用前景。
關鍵詞：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)的手工抄表不但費時、費力，準確性和及時性得不到可靠的保證，而且存在安全隱患、管理費用過高等缺點，已不適應現(xiàn)代電力企業(yè)管理的需要。近年來提出了多種遠程自動抄表方式，但是遠程抄表系統(tǒng)對通信技術的數(shù)據(jù)可靠性要求很高，對功耗的要求也很苛刻，各種遠程抄表方式受技術或成本制約，推廣速度緩慢。本文給出了一種基于MSP430F149和Zigbee技術的無線自動抄表終端，通信質(zhì)量好、工作可靠、經(jīng)濟實用，可以準確及時地將用戶電能表數(shù)據(jù)抄取上傳，是一種理想的自動抄表解決方案。
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。它是一種適合短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，它采用IEEE802．15．4標準，利用全球免費的2．4 GHz公共頻率。Zigbee技術具有強大的設備聯(lián)網(wǎng)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信，并且使整個網(wǎng)絡的功耗非常低，但通信效率卻很高。其最大的優(yōu)點在于能夠?qū)崿F(xiàn)各個通信節(jié)點之間的自動組網(wǎng)，并自行選擇最佳通信路由，當網(wǎng)絡中的某個節(jié)點退出或變更位置后，Zigbee網(wǎng)絡會自動重新創(chuàng)建最佳路由。Zigbee技術應用于監(jiān)視、控制網(wǎng)絡時，具有非常顯著的低成本、低耗電、網(wǎng)絡節(jié)點多、傳輸距離遠、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)絡領域最有前景的技術之一。TI、Freescale等國際芯片巨頭都推出了比較成熟的Zigbee開發(fā)平臺。
本設計選用了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8位MCU，具有128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉換器、幾個定時器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I／O引腳。
CC2430芯片具有以下優(yōu)點：采用高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEES02．15．4標準的2．4GHz的RF無線電收發(fā)機；具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性；在休眠模式時僅0．9 μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)，在待機模式時少于0．6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)；適應較寬的電壓范圍(2．0～3．6V)：集成AES安全協(xié)處理器。

2 抄表終端硬件設計
本抄表終端的任務是接收上位機的指令，根據(jù)指令的要求抄取底層連接的數(shù)字電能表的各項參數(shù)和用電數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，并將數(shù)據(jù)備份在本終端上。另外還具有按照設定的時間間隔自動抄取電能表數(shù)據(jù)并進行備份的功能。為實現(xiàn)上述功能，并考慮現(xiàn)有的技術水平和工程實際，本抄表終端將由核心處理器、RS485接口電路、無線通信電路、日歷時鐘電路、存儲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。為實現(xiàn)低功耗的要求，電路中采用高速和低速兩個晶振，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)運算的要求，在不需要CPU工作時關閉高速晶振，由低速晶振產(chǎn)生頻率較低的ACLK，運行實時時鐘。日歷時鐘芯片采用PHILIPS公司的PCF8563。此芯片支持IIC總線接口，采用低功耗CMOS技術，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、年、月、日、周、時、分、秒，具有定時、報警和頻率輸出功能。存儲器采用復旦微電子的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，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現(xiàn)通信，具有極強的抗共模干擾能力，信號可傳輸上千米，并且支持多點數(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，所以無須進行接口轉換，就可以與核心處理器進行通信。
本終端在設計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)絡狀態(tài)。

3 抄表終端軟件設計
軟件設計的總體思路為：處理器在完成初始化后，關閉CPU和主時鐘MCLK，進入LPM3低功耗模式。當上位機發(fā)送來指令時，串口0產(chǎn)生中斷，使處理器進入正常工作模式。處理器解釋收到的指令并根據(jù)指令內(nèi)容采取相應的操作，如系統(tǒng)校時、初始化存儲器、添加表具信息、向串口1發(fā)送抄表指令等，然后再次進入LPM3低功耗模式。當?shù)讓与娔鼙戆l(fā)送來數(shù)據(jù)時，串口1產(chǎn)生中斷，使處理器進入正常工作模式。處理器解釋數(shù)據(jù)并按照與上位機的通信規(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)絡將數(shù)據(jù)傳送回上位機。