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據的工作量成倍增加。傳統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，但是遠程抄表系統對通信技術的數據可靠性要求很高，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，通信質量好、工作可靠、經濟實用，可以準確及時地將用戶電能表數據抄取上傳，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網功能，能夠實現在數千個微小的傳感器之間相互協調通信，并且使整個網絡的功耗非常低，但通信效率卻很高。其最大的優(yōu)點在于能夠實現各個通信節(jié)點之間的自動組網，并自行選擇最佳通信路由，當網絡中的某個節(jié)點退出或變更位置后，Zigbee網絡會自動重新創(chuàng)建最佳路由。Zigbee技術應用于監(jiān)視、控制網絡時，具有非常顯著的低成本、低耗電、網絡節(jié)點多、傳輸距離遠、數據安全等優(yōu)勢，目前被視為替代有線監(jiān)視和控制網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公司生產的CC2430芯片，它是一種符合ZigBee技術的2．4GHz射頻系統單芯片，此單芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU，具有128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數字轉換器、幾個定時器、AES128協同處理器、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，在待機模式時少于0．6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統；適應較寬的電壓范圍(2．0～3．6V)：集成AES安全協處理器。

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，根據指令的要求抄取底層連接的數字電能表的各項參數和用電數據，通過無線網絡將數據發(fā)送給上位機，并將數據備份在本終端上。另外還具有按照設定的時間間隔自動抄取電能表數據并進行備份的功能。為實現上述功能，并考慮現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，由高速晶振產生頻率較高的MCL-K，以滿足CPU高速數據運算的要求，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，存儲器中的數據能保存100年。
MSP430F149在硬件上具有2路TTL電平的串行接口，一路經SP3485芯片轉換成RS485串行接口后與連接在其底層的數字電能表通信，另一路直接與CC2430進行通信。RS485總線被目前的絕大多數數字電能表所支持，其采用平衡發(fā)送和差分接收方式實現通信，具有極強的抗共模干擾能力，信號可傳輸上千米，并且支持多點數據通信。而符合Zigbee協議的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據、發(fā)送數據和無線網絡狀態(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指令內容采取相應的操作，如系統校時、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。當底層電能表發(fā)送來數據時，串口1產生中斷，使處理器進入正常工作模式。處理器解釋數據并按照與上位機的通信規(guī)約將數據發(fā)送到串口0，并在本終端上做好數據備份。連接在串口0上的CC243嗵過Zigbee網絡將數據傳送回上位機。