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,具有非常显着的低成本、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IEEE802.15.4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 0.9μA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。
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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CC2430通过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。
表1 电能表协议帧格式
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