一種基于MSP430和nRF401的家用射頻無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表系統設計

傳統的抄表收費方式存在許多弊端，出錯率高，漏抄，麻煩，成本高，已經(jīng)跟不上現代化社會(huì )的需求。自從有了自動(dòng)抄表系統，中間省去了很多環(huán)節，提高工作效率，降低成本。為了在已建成的小區中方便地使用自動(dòng)抄表系統，免除家庭內部重新布線(xiàn)的不便，設計了一個(gè)應用于家庭內部的短距離無(wú)線(xiàn)抄表系統。

1 系統的總體結構

圖1為短距離無(wú)線(xiàn)抄表系統的總體結構，它可用于家庭內部三表或多表數據的抄送。系統下層直接與水表、電表、煤氣表等連接，上層可以通過(guò)電話(huà)、以太網(wǎng)、GSM或GPRS等與抄表中心連接，實(shí)現數據的遠程抄送。

系統一般使用被動(dòng)抄表方式。上層模塊接收到儀表中心的抄表命令時(shí)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式向下層模塊發(fā)送抄表指令。下層模塊接收到指令后通過(guò)485總線(xiàn)采集三表的數據，將數據打包后通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊芯片發(fā)送出去。上層模塊收到數據后，將數據解包，發(fā)送給抄表中心。系統也可采用主動(dòng)抄表，即下層模塊定時(shí)采集三表數據，發(fā)送到上層模塊，再由上層模塊發(fā)送到儀表中心。

2 系統的硬件實(shí)現

2.1 系統硬件結構

圖2為系統的硬件結構。系統的MCU使用TI公司MSP430系列中的F123型，通過(guò)nRF401芯片實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)，并通過(guò)MAX3485芯片及485總線(xiàn)與三表或電話(huà)、網(wǎng)絡(luò )等連接。如果需要與232總線(xiàn)或儀表總線(xiàn)等連接，只需更換轉換芯片即可方便地連接。通過(guò)液晶和簡(jiǎn)易鍵盤(pán)，用戶(hù)可以查看三表的數據并對儀表地址進(jìn)行設定。

2.2 主要系統器件介紹

無(wú)線(xiàn)通訊使用Nordic公司的單片收發(fā)芯片nRF401。nRF401是Nordic公司研制的單片UHF無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，工作在433MHz ISM（Industrial, Scientific and Medical）頻段。它采用FSK調制解調技術(shù)，抗干擾能力強，并采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩定性好，發(fā)射功率最大可達10dBm，接收靈敏度最大為－105dBm，數據傳輸速率可達20Kbps，工作電壓在+3～5V之間。nRF401無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片所需外圍元件較少，并可直接單片機串口。

nRF401芯片內包含有發(fā)射功率放大器（PA）、低噪聲接收放大器（LNA）、晶體振蕩器（OSC）、鎖相環(huán)（PLL）、壓控振蕩器（VCO）、混頻器（MIXFR）、解調器（DEM）等電路。在接收模式中，nRF401被配置成傳統的外差式接收機，所接收的射頻調制的數字信號被低噪聲較大器放大，經(jīng)混頻器變換成中頻，放大、濾波后進(jìn)入解調器，解調后變換成數字信號輸出（DOUT端）。在發(fā)射模式中，數字信號經(jīng)DIN端輸入，經(jīng)鎖相環(huán)和壓控振蕩器處理后進(jìn)入到發(fā)射功率放大器射頻輸出。由于采用了晶體振蕩和PLL合成技木，頻率穩定性極好；采用FSK調制和解調，抗干擾能力強。

nRF401可以通過(guò)串行接口與單片機直接相連，無(wú)需復雜的編碼，所需的外圍器件很少，使用簡(jiǎn)單。其電路原理圖如圖3所示。