摘要：介紹了一種基于MSP430和nRF401的家用射頻無線自動抄表系統(tǒng)，詳細地敘述了系統(tǒng)設(shè)計原理與軟硬件的實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：MSP430 nRF401 無線傳輸 自動抄表 家庭內(nèi)部

傳統(tǒng)的抄表收費方式存在許多弊端，如入戶麻煩、管理費用過高、存在安全隱患等，已不適應(yīng)現(xiàn)代物業(yè)管理的需要。小區(qū)自動抄表系統(tǒng)具有節(jié)省時間、人力、物力，提高工作效率，降低物業(yè)成本，可以準確及時地將用戶三表數(shù)據(jù)抄送上來等優(yōu)點，是抄表收費系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。為了在已建成的小區(qū)中方便地使用自動抄表系統(tǒng)，免除家庭內(nèi)部重新布線的不便，設(shè)計了一個應(yīng)用于家庭內(nèi)部的短距離無線抄表系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

為短距離無線抄表系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，它可用于家庭內(nèi)部三表或多表數(shù)據(jù)的抄送。系統(tǒng)下層直接與水表、電表、煤氣表等連接，上層可以通過電話、以太網(wǎng)、GSM或GPRS等與抄表中心連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程抄送。

系統(tǒng)一般使用被動抄表方式。上層模塊接收到儀表中心的抄表命令時，通過無線方式向下層模塊發(fā)送抄表指令。下層模塊接收到指令后通過485總線采集三表的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包后通過無線通訊芯片發(fā)送出去。上層模塊收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)解包，發(fā)送給抄表中心。系統(tǒng)也可采用主動抄表，即下層模塊定時采集三表數(shù)據(jù)，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(tǒng)的硬件實現(xiàn)

2．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的MCU使用TI公司MSP430系列中的F123型，通過nRF401芯片實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)，并通過MAX3485芯片及485總線與三表(下層模塊)或電話、網(wǎng)絡(luò)等(上層模塊)連接。如果需要與232總線或儀表總線等連接，只需更換轉(zhuǎn)換芯片即可方便地連接。通過液晶和簡易鍵盤，用戶可以查看三表的數(shù)據(jù)并對儀表地址進行設(shè)定。

2．2 主要系統(tǒng)器件介紹

無線通訊使用Nordic公司的單片收發(fā)芯片nRF401。這是一個為433MHz ISM頻段設(shè)計的真正單片UHF無線收發(fā)芯片，它采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)。nRF401的工作速度可以達到20kbps，發(fā)射功率可調(diào)，為＋10dBm。天線接口設(shè)計為差分天線，便于使用低成本的PCB天線。該芯片具有待機模式，可以更省電和高效。nRF401的工作電壓范圍為2．7V～5．25V，發(fā)射電流約為8mA～18mA(—10dB輸出)，接收電流約為10mA，待機電流為8μA。
nRF401可以通過串行接口與單片機直接相連，無需復(fù)雜的編碼，所需的外圍器件很少，使用簡單。其電路原理圖如所示。

系統(tǒng)的MCU使用TI公司的MSP430系列，是一種具有超低功耗特性的功能強大的16位單片機。當運行在1MHz時鐘條件下時，工作電流可因工作模式不同在0．1pμA～200μA(2．2V)之間，工作電壓為1．8V～3．6V。其高效率精簡16位指令結(jié)構(gòu)可以確保任何任務(wù)的快速執(zhí)行，大多數(shù)指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成；它還具有語言編程的能力，可以加速軟件的開發(fā)。

本系統(tǒng)使用的是該系列的F123型，具有8KB+256Byte Flash Memory和256Byte RAM以及一個串口和一個定時器。

485芯片使用MAX公司的MAX3485芯片，不需485總線傳輸時可工作在關(guān)斷模式下，在該模式下所需的電流小于1μA。

2．3 硬件設(shè)計中的注意事項

射頻電路部分會受到數(shù)字電路部分的干擾。天線到射頻芯片的輸入信號可能小于1μV，所以數(shù)字信號與射頻信號強度之間的差別可以達到100萬倍(120dB)。如果這些信號沒有被恰當?shù)馗綦x或屏蔽，射頻信號就將被干擾，傳輸性能會受到非常嚴重的影響。另外射頻部分對電壓的波動非常敏感，所以電源的噪聲會嚴重影響傳輸性能。

因此，射頻部分電路的設(shè)計就顯得非常重要。在設(shè)計中應(yīng)遵循以下原則：首先一定要有一個可靠的地平面，電源地應(yīng)該直接與射頻部分的地相連；其次，與地平面的連接越短越好。與地連接的焊盤應(yīng)該在附近設(shè)置一個過孔，并且兩個接地焊盤不可以共用一個過孔。解耦電容應(yīng)該盡量靠近需要解耦的引腳，每個需要解耦的節(jié)點單獨使用一個解耦電容。恰當?shù)剡x擇電容大小會起到很好的效果。電源要采用星形布線，即不同部分(數(shù)字部分、模擬部分、射頻部分)的電源線分別直接從總電源引出，并且分別解耦，如所示。這樣可以有效地防止電源噪聲的干擾。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3．1 軟件流程

系統(tǒng)軟件分上層模塊軟件和下層模塊軟件兩部分，和分別為系統(tǒng)上、下層模塊軟件流程圖。

上層模塊收到抄表中心的命令后，通過射頻無線通訊方式向下層模塊發(fā)送命令，同時開始計時。如果下層模塊沒有數(shù)據(jù)返回，超時后上層模塊會重新發(fā)送命令。如果超過三次仍未有數(shù)據(jù)返回，則認為是下層模塊工作異常，向抄表中心返回異常信號。

下層模塊收到上層模塊發(fā)來的抄表命令，首先檢查地址。如果地址不符，說明命令是發(fā)給其它模塊的，則丟棄命令，繼續(xù)等待。如果地址符合，則將上層模塊發(fā)來的命令轉(zhuǎn)發(fā)給儀表，等待數(shù)據(jù)返回。如果超時則重新發(fā)送，超時三次則認為儀表故障，向上層返回異常信號。數(shù)據(jù)正常接收完畢后，模塊按照與儀表的協(xié)議檢驗數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤，則重新向儀表發(fā)送命令，如果正確則向上層發(fā)送數(shù)據(jù)，之后重新進入等待狀態(tài)。

MSP430F123只有一個串口，而上下兩層的模塊需要兩個串口。第二個串口由定時器A的捕獲／比較功能實現(xiàn)。發(fā)送特性的實現(xiàn)采用比較功能將數(shù)據(jù)從輸出單元的引腳移出的方法，波特率用比較數(shù)據(jù)及中斷來獲得。接收特性的實現(xiàn)采用捕獲／比較功能將引腳數(shù)據(jù)經(jīng)SCCIx位移入內(nèi)存。

3．2 無線通訊協(xié)議

本系統(tǒng)是一個簡單的點對多點通訊，所以通訊協(xié)議分為三層即可。層為物理層，由nRF401模塊硬件實現(xiàn)；第二層為數(shù)據(jù)鏈路層；第三層為應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)鏈路層的功能是提供可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送數(shù)據(jù)時，將應(yīng)用層發(fā)來的比較長的數(shù)據(jù)幀拆分為短的數(shù)據(jù)幀，并加上包頭和校驗和，重新打包后發(fā)送出去。接收數(shù)據(jù)時，將接收到的數(shù)據(jù)解包并重新組合成完整的長數(shù)據(jù)，移交給應(yīng)用層。
數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀格式為：

每幀包括兩個字節(jié)的起始幀頭，一個字節(jié)的地址，一個字節(jié)的幀類型，一個字節(jié)的幀編號，十個字節(jié)的數(shù)據(jù)和兩個字節(jié)的校驗和。無線通訊容易受到干擾，發(fā)送的數(shù)據(jù)越長，受干擾的可能性越大。所以應(yīng)該把比較長的數(shù)據(jù)分成小的數(shù)據(jù)包分別發(fā)送。本系統(tǒng)每個數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)長度為十個字節(jié)，原始數(shù)據(jù)不足時用0補足。

因為nRF401是高靈敏度的，在沒有進行數(shù)據(jù)傳輸時，它的數(shù)據(jù)輸出腳會有雜波輸出，這些雜波會被MCU的串口接收并處理。當一個有效數(shù)據(jù)幀頭到達時，串口可能正采樣到一個字節(jié)的中部。因為檢測到起始位對于正確讀取其后的數(shù)據(jù)是相當重要的，在每個數(shù)據(jù)幀之前要先發(fā)幾個字節(jié)的同步碼以實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。四個字節(jié)的0xCC加一個字節(jié)的0xF0就可以確保在有效數(shù)據(jù)幀到達前雙方通訊實現(xiàn)同步。為了區(qū)分干擾雜波與有效數(shù)據(jù)，需要數(shù)據(jù)幀加上幀頭。因為干擾雜波基本是隨機的，如果使用一個字節(jié)的幀頭，則可能無法區(qū)分干擾和有效數(shù)據(jù)。因此本系統(tǒng)協(xié)議使用兩個字節(jié)的幀頭，為兩個0x55。0x55加上起始位和停止位，實際發(fā)送的是0101010101，雜波產(chǎn)生連續(xù)兩個0x55的概率很小很小，可以確保有效數(shù)據(jù)的確認。數(shù)據(jù)幀的類型包括抄表命令、正常返回數(shù)據(jù)、出錯要求重發(fā)、儀表異常信號、正確接收確認等，用一個字節(jié)來標示以便接收方分類處理。因為將較長的數(shù)據(jù)分成短的數(shù)據(jù)幀發(fā)送，所以每幀需要一個編號，以便接收方檢查是否丟幀。在十個字節(jié)的數(shù)據(jù)之后是校驗和，使用16位crc校驗，檢驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。接收方同樣計算crc后與校驗和比較，如果不同，即為傳輸中出現(xiàn)錯誤。接收方記下錯誤幀的編號，待全部數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，將錯誤編號返回，要求發(fā)送方重新發(fā)送這些幀。如果全部數(shù)據(jù)正常接收，則發(fā)回正確接收確認。
下層模塊的應(yīng)用層的功能是使儀表抄取與無線通訊相結(jié)合。對于不同的水表、電表或煤氣表，可能有不同的抄取協(xié)議或抄取方法。應(yīng)用層接收數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)來的抄表命令，完成對儀表的抄取，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)給數(shù)據(jù)鏈路層。上層模塊的應(yīng)用層負責(zé)與中心的鏈接。將中心發(fā)來的數(shù)據(jù)校驗處理后轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)鏈路層，將數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)來的抄表結(jié)果打包處理后發(fā)給中心。

因為協(xié)議是分層的，相鄰層之間的聯(lián)系只是調(diào)用發(fā)送接收函數(shù)，因此實現(xiàn)了各層是獨立的。更換儀表或更換無線傳輸模塊所需做的改動都不會影響其它層，提高了系統(tǒng)的靈活性。

4 系統(tǒng)的低功耗設(shè)計

系統(tǒng)中MSP430在等待時處于LPMl狀態(tài)。在此狀態(tài)下，Vcc=3V時工作電流低于50μA。系統(tǒng)中的485芯片使用MAXIM公司的MAX3485，在關(guān)斷模式下，所需電流小于lμA。系統(tǒng)低功耗設(shè)計的重點是nRF401的控制。當它處于接收狀態(tài)時，工作電流為l0mA左右，如果始終處于接收狀態(tài)，整個系統(tǒng)的功耗就會過大，電池的電量將會很快耗盡。所以應(yīng)盡量使nRF401處于休眠狀態(tài)。但是休眠狀態(tài)中的nRF401是無法收到數(shù)據(jù)的。為了解決這個矛盾，可使nRF401間歇性地工作在接收狀態(tài)。nRF401從休眠到接收狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時間為3ms，所以處于接收狀態(tài)的時間不能少于3ms；因為nRF401處于接收狀態(tài)，并且空中無有效信號時，會有雜波干擾，所以正常喚醒至少需要收到兩個字節(jié)的喚醒碼。因為本系統(tǒng)使用9600的波特率，發(fā)送兩個字節(jié)，加起始位與停止位共20bit。所以接收時間為2．08ms。為了確保能夠喚醒，應(yīng)再適當延長。本系統(tǒng)使用8ms。處于休眠的時間因儀表抄送反映速度的要求而定。如儀表反映時間要求不嚴格，可加長處于休眠的時間，以便進一步降低功耗。本系統(tǒng)使用的周期為1s。上層模塊抄表需要喚醒下層模塊時，首先發(fā)送喚醒碼，時長需要超過一個周期以確保喚醒，如所示。本系統(tǒng)使用0xFF作為喚醒碼，即主機連續(xù)發(fā)送0xFF，從機收到連續(xù)兩個0xFF后即保持接收狀態(tài)而不進入休眠，此時計時器開始工作。如果兩個周期內(nèi)沒有收到有效數(shù)據(jù)幀的幀頭，則視為雜波干擾，重新進入休眠狀態(tài)。如此設(shè)定之后，nRF401的平均工作電流可降至250μA以下。下層模塊的nRF401工作在此狀態(tài)下，整個模塊的平均工作電流在300μA以下，按使用兩節(jié)5號AA電池計算，可以使用半年以上。上層模塊由于是主機，所有的無線傳輸都由它發(fā)起，所以等待時nRF401可一直工作在休眠狀態(tài)，整個模塊的平均工作電流在100μA以下，兩節(jié)電池可以使用一年半以上。
小區(qū)自動抄表系統(tǒng)是未來發(fā)展的必然趨勢，而對于已經(jīng)建成的住宅小區(qū)的家庭內(nèi)自動抄表系統(tǒng)的改造，無線自動抄表系統(tǒng)具有使用方便、靈活、無需重新布線的優(yōu)點，并且價格適中。家庭內(nèi)部的三表可以統(tǒng)一抄送。此外，本系統(tǒng)略加改進也可以應(yīng)用于報警與安全系統(tǒng)和家庭自動化控制遙控裝置等。

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