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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IEEES02．15．4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0．9 μA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MCL- K，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．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(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)。 
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(guān)閉CPU和主時(shí)鐘MCLK，進(jìn)入LPM3低功耗模式。當上位機發(fā)送來(lái)指令時(shí)，串口0產(chǎn)生中斷，使處理器進(jìn)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(shí)、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(jìn)入LPM3低功耗模式。當底層電能表發(fā)送來(lái)數據時(shí)，串口1產(chǎn)生中斷，使處理器進(jìn)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(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò )將數據傳送回上位機。 我們選用IAR公司的IAR Embedded Workbench IDE作為軟件開(kāi)發(fā)平臺，此軟件針對MSP430系列單片機的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)做了異常豐富的宏定義。為了使軟件開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，可讀性強，我們采用C語(yǔ)言編寫(xiě)代碼。由于MSP430F149的強大處理能力，使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)仍具有較好的代碼執行效 率和極短的響應時(shí)間。 與底層電能表的通信協(xié)議采用《多功能電能表通信規約DL/T 645-1997》，這是國家電力行業(yè)標準，數字電能表都要求符合本協(xié)議。協(xié)議中規定幀是傳送信息的基本單元，幀格式如表1所示。 與上位機的通信采用自行編寫(xiě)的協(xié)議，由本終端和上位PC機負責構造協(xié)議幀和對協(xié)議的解釋?zhuān)话裐igbee網(wǎng)絡(luò )當成透明的通信信道。幀格式如表2所示： 由于MSP430F149單片機沒(méi)有硬件IIC接口，我們在通用I/O口P1．0、P1．1上用軟件模擬IIC接口與PCF8563和FM24C04通信。讀PCF8563的子程序如下，寫(xiě)程序以及讀寫(xiě)FM24C04的子程序類(lèi)似。 軟件的流程圖如圖2所示：
4 結論 無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢，而在抄表系統的改造過(guò)程中，采用超低功耗MSP430F149作為核心處理器，結合自動(dòng)組網(wǎng)Zigbee技術(shù)研發(fā)的本抄表終端具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。本終端已經(jīng)在我校的教師公寓小區中進(jìn)行試驗，結果表明運行穩定可靠，到達了設計要求，具有很好的應用前景。下一步我們將進(jìn)一步對終端進(jìn)行改進(jìn)，使其適用與水、氣、電三表合抄，創(chuàng )造更大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。 |
