基于MSP430和Zigbee的無(wú)線(xiàn)抄表終端設計

1 引言

　　隨著(zhù)客戶(hù)數量的增多，特別是一戶(hù)一表的推廣，供電部門(mén)抄錄客戶(hù)用電數據的工作量成倍增加。傳統的手工抄表不但費時(shí)、費力，準確性和及時(shí)性得不到可靠的保證，而且存在安全隱患、管理費用過(guò)高等缺點(diǎn), 已不適應現代電力企業(yè)管理的需要。近年來(lái)提出了多種遠程自動(dòng)抄表方式，但是遠程抄表系統對通信技術(shù)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(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(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表終端, 通信質(zhì)量好、工作可靠、經(jīng)濟實(shí)用, 可以準確及時(shí)地將用戶(hù)電能表數據抄取上傳, 是一種理想的自動(dòng)抄表解決方案。

　　在諸多的無(wú)線(xiàn)方案中，我們選用了近幾年來(lái)一種新興的無(wú)線(xiàn)傳輸技-Zigbee技術(shù)。它是一種適合短距離、低速率無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，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(shù)具有強大的設備聯(lián)網(wǎng)功能，能夠實(shí)現在數千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調通信，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)在于能夠實(shí)現各個(gè)通信節點(diǎn)之間的自動(dòng)組網(wǎng)，并自行選擇最佳通信路由，當網(wǎng)絡(luò )中的某個(gè)節點(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)應用于監視、控制網(wǎng)絡(luò )時(shí)，具有非常顯著(zhù)的低成本、低耗電、網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)多、傳輸距離遠、數據安全等優(yōu)勢，目前被視為替代有線(xiàn)監視和控制網(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(kāi)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(shù)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(gè)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(gè)定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復位電路、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IEEE802.15.4標準的2.4GHz的RF無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機；具有優(yōu)良的無(wú)線(xiàn)接收靈敏度和強大的抗干擾性；在休眠模式時(shí)僅0.9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統，在待機模式時(shí)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(xié)處理器。

　　2 抄表終端硬件設計

　　本抄表終端的任務(wù)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(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )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(shí)間間隔自動(dòng)抄取電能表數據并進(jìn)行備份的功能。為實(shí)現上述功能，并考慮現有的技術(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(wú)線(xiàn)通信電路、日歷時(shí)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(shí)現低功耗的要求，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MCLK，以滿(mǎn)足CPU高速數據運算的要求，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(xiàn)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、年、月、日、周、時(shí)、分、秒，具有定時(shí)、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(xiàn)制串行EEPROM，兼容IIC總線(xiàn)接口，采用低功耗CMOS技術(shù)，具有較寬的工作電壓范圍2.2V～5.5V，在3.0V供電條件下，額定電流為1mA,休眠電流典型值為5μA，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(jīng)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(jìn)行通信。

　　RS485總線(xiàn)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(shí)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(diǎn)數據通信。

　　而符合Zigbee協(xié)議的CC2430芯片支持TTL電平的串行接口，所以無(wú)須進(jìn)行接口轉換，就可以與核心處理器進(jìn)行通信。

　　本終端在設計的過(guò)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定運行。圖1是本終端的硬件原理圖，省略掉了電源穩壓電路、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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)。

圖1 硬件原理圖