基于MSP43O和Zigbee的无线抄表终端设计

摘要：介绍了一种以MSP430F149单片机为核心的，基于Zigbee网络的无线抄表终端。具体阐述了该终端的主要特点、硬件电路设计和软件设计。试验结果表明，该设计具有运行稳定，可靠性高的特点，可广泛应用于各类水、电、气表终端无线集中抄表中，具有良好的应用前景。
关键词：无线抄表；低功耗；Zigbee

1 引言
    随着客户数量的增多，特别是一户一表的推广，供电部门抄录客户用电数据的工作量成倍增加。传统的手工抄表不但费时、费力，准确性和及时性得不到可靠的保证，而且存在安全隐患、管理费用过高等缺点，已不适应现代电力企业管理的需要。近年来提出了多种远程自动抄表方式，但是远程抄表系统对通信技术的数据可靠性要求很高，对功耗的要求也很苛刻，各种远程抄表方式受技术或成本制约，推广速度缓慢。本文给出了一种基于MSP430F149和Zigbee技术的无线自动抄表终端，通信质量好、工作可靠、经济实用，可以准确及时地将用户电能表数据抄取上传，是一种理想的自动抄表解决方案。
    在诸多的无线方案中，我们选用了近几年来一种新兴的无线传输技-Zigbee技术。它是一种适合短距离、低速率无线网络技术，它采用IEEE802．15．4标准，利用全球免费的2．4 GHz公共频率。Zigbee技术具有强大的设备联网功能，能够实现在数千个微小的传感器之间相互协调通信，并且使整个网络的功耗非常低，但通信效率却很高。其最大的优点在于能够实现各个通信节点之间的自动组网，并自行选择最佳通信路由，当网络中的某个节点退出或变更位置后，Zigbee网络会自动重新创建最佳路由。Zigbee技术应用于监视、控制网络时，具有非常显著的低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远、数据安全等优势，目前被视为替代有线监视和控制网络领域最有前景的技术之一。TI、Freescale等国际芯片巨头都推出了比较成熟的Zigbee开发平台。
    本设计选用了TI下属Chipcon公司生产的CC2430芯片，它是一种符合ZigBee技术的2．4GHz射频系统单芯片，此单芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器、几个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I／O引脚。
    CC2430芯片具有以下优点：采用高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEES02．15．4标准的2．4GHz的RF无线电收发机；具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；在休眠模式时仅0．9 μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统，在待机模式时少于0．6μA的流耗，外部的中断能唤醒系统；适应较宽的电压范围(2．0～3．6V)：集成AES安全协处理器。

2 抄表终端硬件设计
    本抄表终端的任务是接收上位机的指令，根据指令的要求抄取底层连接的数字电能表的各项参数和用电数据，通过无线网络将数据发送给上位机，并将数据备份在本终端上。另外还具有按照设定的时间间隔自动抄取电能表数据并进行备份的功能。为实现上述功能，并考虑现有的技术水平和工程实际，本抄表终端将由核心处理器、RS485接口电路、无线通信电路、日历时钟电路、存储器电路和供电电路等几部分组成。
    核心处理器采用TI公司的MSP430F149单片机。为实现低功耗的要求，电路中采用高速和低速两个晶振，由高速晶振产生频率较高的MCL-K，以满足CPU高速数据运算的要求，在不需要CPU工作时关闭高速晶振，由低速晶振产生频率较低的ACLK，运行实时时钟。日历时钟芯片采用PHILIPS公司的PCF8563。此芯片支持IIC总线接口，采用低功耗CMOS技术，具有较宽的工作电压范围1．0V～5．5V，在3．0V供电条件下，工作电流和休眠电流的典型值都为0．25μA，能记录世纪、年、月、日、周、时、分、秒，具有定时、报警和频率输出功能。存储器采用复旦微电子的FM24C04。此芯片是两线制串行EEPROM，兼容IIC总线接口，采用低功耗CMOS技术，具有较宽的工作电压范围2．2V～5．SV，在3．0V供电条件下，额定电流为1mA，休眠电流典型值为5 μA，在掉电情况下，存储器中的数据能保存100年。
    MSP430F149在硬件上具有2路TTL电平的串行接口，一路经SP3485芯片转换成RS485串行接口后与连接在其底层的数字电能表通信，另一路直接与CC2430进行通信。RS485总线被目前的绝大多数数字电能表所支持，其采用平衡发送和差分接收方式实现通信，具有极强的抗共模干扰能力，信号可传输上千米，并且支持多点数据通信。而符合Zigbee协议的CC2430芯片支持TTL电平的串行接口，所以无须进行接口转换，就可以与核心处理器进行通信。
    本终端在设计的过程中所有器件的选型都考虑了低功耗要求，即使使用电池供电，每次更换电池也至少可以使用两年。并且选用的元器件都支持3．3V电压，全部电路只需要单一电源就可以稳定运行。 图1是本终端的硬件原理图，省略掉了电源稳压电路、滤波电路和一些外围元件。图中的LED1、LED2、LED3分别用于指示接收数据、发送数据和无线网络状态。

3 抄表终端软件设计
    软件设计的总体思路为：处理器在完成初始化后，关闭CPU和主时钟MCLK，进入LPM3低功耗模式。当上位机发送来指令时，串口0产生中断，使处理器进入正常工作模式。处理器解释收到的指令并根据指令内容采取相应的操作，如系统校时、初始化存储器、添加表具信息、向串口1发送抄表指令等，然后再次进入LPM3低功耗模式。当底层电能表发送来数据时，串口1产生中断，使处理器进入正常工作模式。处理器解释数据并按照与上位机的通信规约将数据发送到串口0，并在本终端上做好数据备份。连接在串口0上的CC243嗵过Zigbee网络将数据传送回上位机。
    我们选用IAR公司的IAR Embedded Workbench IDE作为软件开发平台，此软件针对MSP430系列单片机的C语言开发做了异常丰富的宏定义。为了使软件开发简单，可读性强，我们采用C语言编写代码。由于MSP430F149的强大处理能力，使用C语言开发仍具有较好的代码执行效
率和极短的响应时间。
    与底层电能表的通信协议采用《多功能电能表通信规约DL／T 645-1997》，这是国家电力行业标准，数字电能表都要求符合本协议。协议中规定帧是传送信息的基本单元，帧格式如表1所示。

    与上位机的通信采用自行编写的协议，由本终端和上位PC机负责构造协议帧和对协议的解释，而只把Zigbee网络当成透明的通信信道。帧格式如表2所示：

    由于MSP430F149单片机没有硬件IIC接口，我们在通用I／O口P1．0、P1．1上用软件模拟IIC接口与PCF8563和FM24C04通信。读PCF8563的子程序如下，写程序以及读写FM24C04的子程序类似。

    软件的流程图如图2所示：

 
4 结论
    无线自动抄表是未来发展的必然趋势，而在抄表系统的改造过程中，采用超低功耗MSP430F149作为核心处理器，结合自动组网Zigbee技术研发的本抄表终端具有明显的技术优势。本终端已经在我校的教师公寓小区中进行试验，结果表明运行稳定可靠，到达了设计要求，具有很好的应用前景。下一步我们将进一步对终端进行改进，使其适用与水、气、电三表合抄，创造更大的经济效益和社会效益。