基于ＡＲＭ和Ｚｉｇｂｅｅ技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)研究

白　濤　張長利

摘要:文章針對當前由于電力負載急劇增長帶來的傳統(tǒng)抄表方式難的問題,提出了一種基于嵌入式ARM技術(shù)和新興的低功耗、低成本Zigbee技術(shù)的無線抄表系統(tǒng),該系統(tǒng)通過ZigbeeMG2455芯片組成的抄表網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對于各個電表電量進行采集,再由基于ARMS3C2410構(gòu)建的無線抄表上位機對所抄電量進行匯總,最終實現(xiàn)對電量的無線采集。實驗證明本系統(tǒng)擁有較低的漏抄率,同時極大的節(jié)省了傳統(tǒng)抄表方式帶來的人力和財力的消耗。

關(guān)鍵詞:ARM;Zigbee;無線抄表;Linux;RS232;RS485

中圖分類號:TM933

文獻標識碼:A

文章編號:1009-2374(2009)19-0035-02

隨著電力負載的急劇增長,傳統(tǒng)的抄表方式越來越困難,基于此國內(nèi)外提出了一種無線抄表技術(shù)來取代傳統(tǒng)的抄表方式。但目前流行的紅外線和GPRS無線抄表技術(shù)都存在著傳輸距離短、付費使用頻段等缺點,本文運用基于2.4GHz免費通信頻段的Zigbee技術(shù)作為無線抄表系統(tǒng)的下位機采抄和傳輸工具,利用ARMLinux嵌入式系統(tǒng)對采抄的數(shù)據(jù)進行匯總,最終實現(xiàn)了一套完整的無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計。圖1為系統(tǒng)實現(xiàn)框圖:

一、Zigbee系統(tǒng)對電表電量采集的實現(xiàn)

(一)硬件設(shè)計

Zigbee系統(tǒng)在本設(shè)計中主要分為終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)設(shè)備兩部分,其中終端設(shè)備就是完成對電表數(shù)據(jù)的采抄工作,具體實現(xiàn)框圖見圖1。該部分是由單相電子式電能表和工控數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器及MG2455模塊三部分組成的。

ZigbeeMG2455芯片是由韓國Radio Pulse公司生產(chǎn)的,具有增強標準的8051單片機特性,同時內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧,有極高的接受靈敏度和抗干擾性能、支持數(shù)字化的接受信號強度指示器、超低功耗、電流消耗小、鏈路質(zhì)量指示和傳輸距離遠等特點。單相電子式電能表為哈爾濱電表儀器廠有限公司生產(chǎn)的DDS105型單相電子式電能表,該電表采用大規(guī)模集成電路,并采用SMT工藝,具有可靠性高、負載能力強、功耗低及便于監(jiān)控等特點。而系統(tǒng)使用的工控數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是深圳和鑫有限公司生產(chǎn)的HXSP-2108B有源接口轉(zhuǎn)換器,該轉(zhuǎn)換器主要完成RS485接口協(xié)議與RS232接口協(xié)議的轉(zhuǎn)換,具有極高的轉(zhuǎn)換穩(wěn)定性。

(二)軟件設(shè)計

圖2為Zigbee終端與電表通信的軟件設(shè)計流程圖。由電表和無線收發(fā)模塊組成的數(shù)據(jù)終端設(shè)備在整個系統(tǒng)中起著命令的接受和數(shù)據(jù)的采集傳輸?shù)淖饔?。終端設(shè)備的主要工作過程如下:首先對節(jié)點進行初始化,也就是對MG2455模塊進行初始化,其工作包括定義系統(tǒng)的時鐘信號、工作頻率、電源管理方式、ZigBee網(wǎng)絡(luò)層和MAC層的參數(shù)及I/O接口和外設(shè)的初始化。然后進入尋找網(wǎng)絡(luò)階段,即尋找上位機。如果在其信號所覆蓋的范圍內(nèi)有網(wǎng)絡(luò)存在并符合判斷信息即加入到該網(wǎng)絡(luò)。最后進入到等待命令狀態(tài),若沒有接收到命令,則終端系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。

二、ARM與Zigbee系統(tǒng)的通信

作為ARM與Zigbee系統(tǒng)通信的主要媒介,串口可以完成幾乎所有指令的收發(fā),雖然目前在ARM和Zigbee系統(tǒng)的通信方面還有諸如利用GPIO和SPI協(xié)議實現(xiàn),但作為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計都最為常見的串口還是可以在短距離和低傳輸速率的領(lǐng)域中擁有極高的適用性。

(一)硬件設(shè)計

本部分主要是利用RS-232接口實現(xiàn)ARM嵌入式系統(tǒng)與Zigbee無線系統(tǒng)的連接進而實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功能,通過ARM板載的SP3232E芯片和Zigbee無線系統(tǒng)上的MAX3221芯片來實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的通信。由于采用了常見的串口作為通信媒介,簡化了硬件設(shè)計。作為接收命令端的Zigbee系統(tǒng)由于采用的是8051為內(nèi)核的CPU,因此時刻處于等待命令狀態(tài)。作為上位機的ARMS3C2410系統(tǒng)植入了Linux操作系統(tǒng),當運行了串口實現(xiàn)程序后,就可向Zigbee系統(tǒng)發(fā)出采抄電表的命令。因此本部分主要的軟件實現(xiàn)就是Linux系統(tǒng)下的串口實現(xiàn)程序的設(shè)計。

(二)軟件設(shè)計

因為ZigbeeMG2455為本設(shè)計的下位機,因此軟件設(shè)計主要集中在對ARM板載的SP3222E芯片的實現(xiàn)和Linux操作系統(tǒng)串口程序的實現(xiàn)上。因為目前Linux內(nèi)核無論是2.4.x還是2.6.x系列內(nèi)核都對串口有很好的支持性,因此在Linux對串口驅(qū)動上的實現(xiàn)就極為簡單,這也是本實驗選擇串口作為通訊媒介的一個主要原因,可以極大的簡化后期的維護,有利于推廣。

Linux串口實現(xiàn)程序主要是對Termios結(jié)構(gòu)體進行設(shè)置,該結(jié)構(gòu)體主要完成對串口波特率、字符大小等進行設(shè)置,該結(jié)構(gòu)體主要是對Linux下的/dev/ttySx設(shè)備文件進行設(shè)置的,當設(shè)置好后即可發(fā)送初始化的命令和等待接收命令。具體流程如圖4所示:

三、系統(tǒng)的實驗與測試結(jié)果

對于本抄表系統(tǒng)的測試是在實驗室內(nèi)部環(huán)境中進行的,其中一個房間內(nèi)放置了一臺電腦和ARMS3C2410開發(fā)系統(tǒng)作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備,兩個終端設(shè)備以及驗證終端設(shè)備數(shù)據(jù)的電腦分別安放在兩個不同的地點且工作運轉(zhuǎn)良好。當網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送讀取表的正向有功總電能的命令時,系統(tǒng)總是能及時快速的把命令傳遞給終端設(shè)備,并把終端設(shè)備傳回來的數(shù)據(jù)顯示出來。經(jīng)過數(shù)十次反復(fù)驗證實驗?zāi)M抄收,發(fā)現(xiàn)電表上顯示的數(shù)據(jù)同終端驗證電腦上顯示的數(shù)據(jù),及ARMS3C2410開發(fā)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致。證明該系統(tǒng)在小范圍內(nèi)的運行相對穩(wěn)定。

四、總結(jié)

實驗證明,該設(shè)計可以完全實現(xiàn)無線抄表功能,同時軟硬件設(shè)計簡單實現(xiàn)方便、能獲得滿意的數(shù)據(jù)傳輸準確率和數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本、低功耗,適于大規(guī)模推廣應(yīng)用。在其他需要無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)念I(lǐng)域內(nèi)也具有極高的適用性。

參考文獻

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作者簡介:白濤(1984-),男,黑龍江哈爾濱人,東北農(nóng)業(yè)大學碩士,研究方向:智能控制與自動化;張長利(1957-),男,黑龍江哈爾濱人,東北農(nóng)業(yè)大學教授。