一種基于MSP430和nRF401的家用射頻無線自動抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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。數(shù)據(jù)正常接收完畢后，模塊按照與儀表的協(xié)議檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，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(jìn)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(shí)現(xiàn)。發(fā)送特性的實(shí)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(shí)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(diǎn)對多點(diǎn)通訊，所以通訊協(xié)議分為三層即可。第一層為物理層，由nRF401模塊硬件實(shí)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(yàn)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(yàn)和。無線通訊容易受到干擾，一次發(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(bǔ)足。

因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/nRF401">nRF401是高靈敏度的，在沒有進(jìn)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。nRF401的ANT1和ANT2引腳是接收時低噪聲接收放大器LNA的輸入，以及發(fā)送時發(fā)射功率放大器PA的輸出。連接nRF401的天線可以以差分方式連接到nRF401，一個50Ω的單端天線也可以通過一個差分轉(zhuǎn)換匹配網(wǎng)絡(luò)連接到nRF401。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(dá)前雙方通訊實(shí)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?yàn)楦蓴_雜波基本是隨機(jī)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(shí)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(rèn)。數(shù)據(jù)幀的類型包括抄表命令、正常返回?cái)?shù)據(jù)、出錯要求重發(fā)、儀表異常信號、正確接收確認(rèn)等，用一個字節(jié)來標(biāo)示以便接收方分類處理。因?yàn)閷⑤^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(yàn)和，使用16位crc校驗(yàn)，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。接收方同樣計(jì)算crc后與校驗(yàn)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(rèn)。

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(fù)責(zé)與中心的鏈接。將中心發(fā)來的數(shù)據(jù)校驗(yàn)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?yàn)閰f(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(shí)現(xiàn)了各層是獨(dú)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(jì)

系統(tǒng)中MSP430在等待時處于LPM1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1μA。系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是nRF401的控制。當(dāng)它處于接收狀態(tài)時，工作電流為10mA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?yàn)閚RF401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?yàn)楸鞠到y(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(dāng)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(yán)格，可加長處于休眠的時間，以便進(jìn)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，如圖7所示。本系統(tǒng)使用0xFF作為喚醒碼，即主機(jī)連續(xù)發(fā)送0xFF，從機(jī)收到連續(xù)兩個0xFF后即保持接收狀態(tài)而不進(jìn)入休眠，此時計(jì)時器開始工作。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(jì)算，可以使用半年以上。上層模塊由于是主機(jī)，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(diǎn)，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(jìn)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。