|
摘要：介绍了一种基于MSP430和nRF401的家用射频无线自动抄表系统，详细地叙述了系统设计原理与软硬件的实现方法。 关键词：MSP430 nRF401 无线传输 自动抄表 家庭内部 传统的抄表收费方式存在许多弊端，如入户麻烦、管理费用过高、存在安全隐患等，已不适应现代物业管理的需要。小区自动抄表系统具有节省时间、人力、物力，提高工作效率，降低物业成本，可以准确及时地将用户三表数据抄送上来等优点，是抄表收费系统发展的趋势。为了在已建成的小区中方便地使用自动抄表系统，免除家庭内部重新布线的不便，设计了一个应用于家庭内部的短距离无线抄表系统。 1 系统的总体结构 图1为短距离无线抄表系统的总体结构，它可用于家庭内部三表或多表数据的抄送。系统下层直接与水表、电表、煤气表等连接，上层可以通过电话、以太网、GSM或GPRS等与抄表中心连接，实现数据的远程抄送。
系统一般使用被动抄表方式。上层模块接收到仪表中心的抄表命令时，通过无线方式向下层模块发送抄表指令。下层模块接收到指令后通过485总线采集三表的数据，将数据打包后通过无线通讯芯片发送出去。上层模块收到数据后，将数据解包，发送给抄表中心。系统也可采用主动抄表，即下层模块定时采集三表数据，发送到上层模块，再由上层模块发送到仪表中心。 2 系统的硬件实现 2．1 系统硬件结构 图2为系统的硬件结构。系统的MCU使用TI公司MSP430系列中的F123型，通过nRF401芯片实现无线数据收发，并通过MAX3485芯片及485总线与三表(下层模块)或电话、网络等(上层模块)连接。如果需要与232总线或仪表总线等连接，只需更换转换芯片即可方便地连接。通过液晶和简易键盘，用户可以查看三表的数据并对仪表地址进行设定。 2．2 主要系统器件介绍 无线通讯使用Nordic公司的单片收发芯片nRF401。这是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片，它采用FSK调制解调技术。nRF401的最高工作速度可以达到20kbps，发射功率可调，最大为＋10dBm。天线接口设计为差分天线，便于使用低成本的PCB天线。该芯片具有待机模式，可以更省电和高效。nRF401的工作电压范围为2．7V～5．25V，发射电流约为8mA～18mA(—10dB输出)，接收电流约为10mA，待机电流为8μA。
nRF401可以通过串行接口与单片机直接相连，无需复杂的编码，所需的外围器件很少，使用简单。其电路原理图如图3所示。 系统的MCU使用TI公司的MSP430系列，是一种具有超低功耗特性的功能强大的16位单片机。当运行在1MHz时钟条件下时，工作电流可因工作模式不同在0．1pμA～200μA(2．2V)之间，工作电压为1．8V～3．6V。其高效率精简16位指令结构可以确保任何任务的快速执行，大多数指令可以在一个时钟周期内完成；它还具有高级语言编程的能力，可以加速软件的开发。 本系统使用的是该系列的F123型，具有8KB+256Byte Flash Memory和256Byte RAM以及一个串口和一个定时器。 485芯片使用MAX公司的MAX3485芯片，不需485总线传输时可工作在关断模式下，在该模式下所需的电流小于1μA。
图3
2．3 硬件设计中的注意事项 射频电路部分会受到数字电路部分的干扰。天线到射频芯片的输入信号可能小于1μV，所以数字信号与射频信号强度之间的差别可以达到100万倍(120dB)。如果这些信号没有被恰当地隔离或屏蔽，射频信号就将被干扰，传输性能会受到非常严重的影响。另外射频部分对电压的波动非常敏感，所以电源的噪声会严重影响传输性能。 因此，射频部分电路的设计就显得非常重要。在设计中应遵循以下原则：首先一定要有一个可靠的地平面，电源地应该直接与射频部分的地相连；其次，与地平面的连接越短越好。与地连接的焊盘应该在附近设置一个过孔，并且两个接地焊盘不可以共用一个过孔。解耦电容应该尽量靠近需要解耦的引脚，每个需要解耦的节点单独使用一个解耦电容。恰当地选择电容大小会起到很好的效果。电源要采用星形布线，即不同部分(数字部分、模拟部分、射频部分)的电源线分别直接从总电源引出，并且分别解耦，如图4所示。这样可以有效地防止电源噪声的干扰。 3 系统的软件设计 3．1 软件流程 系统软件分上层模块软件和下层模块软件两部分，图5和图6分别为系统上、下层模块软件流程图。 上层模块收到抄表中心的命令后，通过射频无线通讯方式向下层模块发送命令，同时开始计时。如果下层模块没有数据返回，超时后上层模块会重新发送命令。如果超过三次仍未有数据返回，则认为是下层模块工作异常，向抄表中心返回异常信号。 下层模块收到上层模块发来的抄表命令，首先检查地址。如果地址不符，说明命令是发给其它模块的，则丢弃命令，继续等待。如果地址符合，则将上层模块发来的命令转发给仪表，等待数据返回。如果超时则重新发送，超时三次则认为仪表故障，向上层返回异常信号。数据正常接收完毕后，模块按照与仪表的协议检验数据，如数据出现错误，则重新向仪表发送命令，如果正确则向上层发送数据，之后重新进入等待状态。 MSP430F123只有一个串口，而上下两层的模块需要两个串口。第二个串口由定时器A的捕获／比较功能实现。发送特性的实现采用比较功能将数据从输出单元的引脚移出的方法，波特率用比较数据及中断来获得。接收特性的实现采用捕获／比较功能将引脚数据经SCCIx位移入内存。 3．2 无线通讯协议 本系统是一个简单的点对多点通讯，所以通讯协议分为三层即可。第一层为物理层，由nRF401模块硬件实现；第二层为数据链路层；第三层为应用层。 数据链路层的功能是提供可靠的无线数据传输。发送数据时，将应用层发来的比较长的数据帧拆分为短的数据帧，并加上包头和校验和，重新打包后发送出去。接收数据时，将接收到的数据解包并重新组合成完整的长数据，移交给应用层。
数据链路层的数据帧格式为： |
