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

傳統(tǒng)的抄表收費(fèi)方式存在許多弊端，出錯(cuò)率高，漏抄，麻煩，成本高，已經(jīng)跟不上現(xiàn)代化社會(huì)的需求。自從有了自動(dòng)抄表系統(tǒng)，中間省去了很多環(huán)節(jié)，提高工作效率，降低成本。為了在已建成的小區(qū)中方便地使用自動(dòng)抄表系統(tǒng)，免除家庭內(nèi)部重新布線的不便，設(shè)計(jì)了一個(gè)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)

圖1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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程抄送。

系統(tǒng)一般使用被動(dòng)抄表方式。上層模塊接收到儀表中心的抄表命令時(shí)，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(dòng)抄表，即下層模塊定時(shí)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(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖2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(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)，并通過MAX3485芯片及485總線與三表或電話、網(wǎng)絡(luò)等連接。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(jiǎn)易鍵盤，用戶可以查看三表的數(shù)據(jù)并對(duì)儀表地址進(jìn)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。nRF401是Nordic公司研制的單片UHF無線收發(fā)芯片，工作在433MHz ISM（Industrial, Scientific and Medical）頻段。它采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，并采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好，發(fā)射功率最大可達(dá)10dBm，接收靈敏度最大為－105dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20Kbps，工作電壓在+3～5V之間。nRF401無線收發(fā)芯片所需外圍元件較少，并可直接單片機(jī)串口。

nRF401芯片內(nèi)包含有發(fā)射功率放大器（PA）、低噪聲接收放大器（LNA）、晶體振蕩器（OSC）、鎖相環(huán)（PLL）、壓控振蕩器（VCO）、混頻器（MIXFR）、解調(diào)器（DEM）等電路。在接收模式中，nRF401被配置成傳統(tǒng)的外差式接收機(jī)，所接收的射頻調(diào)制的數(shù)字信號(hào)被低噪聲較大器放大，經(jīng)混頻器變換成中頻，放大、濾波后進(jìn)入解調(diào)器，解調(diào)后變換成數(shù)字信號(hào)輸出（DOUT端）。在發(fā)射模式中，數(shù)字信號(hào)經(jīng)DIN端輸入，經(jīng)鎖相環(huán)和壓控振蕩器處理后進(jìn)入到發(fā)射功率放大器射頻輸出。由于采用了晶體振蕩和PLL合成技木，頻率穩(wěn)定性極好；采用FSK調(diào)制和解調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)。

nRF401可以通過串行接口與單片機(jī)直接相連，無需復(fù)雜的編碼，所需的外圍器件很少，使用簡(jiǎn)單。其電路原理圖如圖3所示。