基于ZigBee的無線水表抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

魏東旭 ，王 平

（1.淮陰師范學(xué)院 物電學(xué)院，江蘇 淮安223300；2.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京210016）

目前的自動抄表系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)傳輸角度劃分，可分為有線、無線兩大類。這兩大類抄表系統(tǒng)各有其適用的應(yīng)用領(lǐng)域，但就抄表系統(tǒng)的投資、建設(shè)、維護(hù)等幾方面而言，無線抄表系統(tǒng)顯然具有更大優(yōu)勢。

從應(yīng)用角度而言，目前市場上的幾種水表的無線抄表方案或多或少存在以下幾種問題：(1)使用成本較高；(2)網(wǎng)絡(luò)的自管理能力有限；(3)抄表終端的供電問題難以很好地解決，由于抄表終端難以做到極低功耗，所以供電問題始終是一個瓶頸。

1 ZigBee技術(shù)

1.1 ZigBee技術(shù)簡介

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)要求的技術(shù)，稱之為ZigBee，它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于自動控制、遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。采用ZigBee技術(shù)可以為水表的無線抄表提供很好的解決方案。

目前主要的無線技術(shù)都集中在1 Mb/s以上的速率，新的標(biāo)準(zhǔn)還在追求更快的速率；而IEEE 802.15.4/ZigBee恰恰填補(bǔ)了低速率無線通信技術(shù)的空缺，與其他標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用上幾乎無交叉[1]。

1.2 ZigBee協(xié)議架構(gòu)

完整的 ZigBee協(xié)議棧主要由物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、安全層和高層應(yīng)用規(guī)范組成。其中，物理層和MAC層由IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制定。ZigBee協(xié)議架構(gòu)[2]如圖1所示。

2 無線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 無線抄表系統(tǒng)構(gòu)架

分析自來水抄表系統(tǒng)的技術(shù)要求，結(jié)合ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)抄表用戶的不同分布靈活地構(gòu)建抄表的無線網(wǎng)絡(luò)。

所構(gòu)建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)既可以是星型拓?fù)?，也可以是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹２徽撌悄姆N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)實(shí)際的組網(wǎng)要求，設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如圖2所示，本系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。每幢單元樓設(shè)置一個ZigBee遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)，一個小區(qū)設(shè)置一個ZigBee中心節(jié)點(diǎn)，ZigBee中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)集中上傳到集抄中心。

2.2 基于ZigBee無線通信技術(shù)的智能水表

水表本體部分仍舊選用目前市場上的帶脈沖輸出的水表，因?yàn)樗淼闹圃旃に嚦墒?，不必自行開發(fā)任何部件，利用原有可靠的技術(shù)能節(jié)約開發(fā)時間和成本。水表的機(jī)械表頭讀數(shù)仍舊存在，當(dāng)通信異?；蛑悄芩碛?jì)數(shù)部分故障時，依然可以讀取數(shù)據(jù),減少故障帶來的計(jì)量損失。圖3所示為智能水表的結(jié)構(gòu)框圖。

3 ZigBee節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。在本系統(tǒng)中，每個終端既是采集器模塊、中繼器模塊，同時又是集中器中的 ZigBee數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。但各模塊功能各不相同，主要通過軟件實(shí)現(xiàn)。

在節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，采用MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對脈沖水表和ZigBee無線模塊CC2430的控制。

MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集(RISC)的混合信號處理器[3-4]（Mixed Signal Processor）。之所以稱為混合信號處理器，是由于其針對實(shí)際應(yīng)用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。

CC2430芯片作為單芯片ZigBee解決方案，已經(jīng)將ZigBee主要功能電路封裝在模塊內(nèi)[5-6](如時鐘電路、RF電路、溫度檢測等)，同時芯片內(nèi)集成了 8051 MCU，理論上可以制作為獨(dú)立的終端設(shè)備，但是考慮到下載程序的要求，必須讓其與單片機(jī)構(gòu)成同一系統(tǒng)，這樣才能下載程序，才能更好地實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。因此要設(shè)計(jì)相應(yīng)外圍電路，包括復(fù)位電路、電源電路、晶振時鐘電路、接口電路等。

3.1 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的復(fù)位功能，可以采用上電復(fù)位和系統(tǒng)在運(yùn)行時用戶的按鍵復(fù)位。復(fù)位電路可以由簡單的RC電路構(gòu)成，也可以選用專門的系統(tǒng)復(fù)位芯片。為了簡化電路，本系統(tǒng)選取了復(fù)位開關(guān)的方式，即可以通過手動控制系統(tǒng)的復(fù)位。系統(tǒng)復(fù)位電路如圖5所示。在系統(tǒng)需要復(fù)位時，可以按下S鍵，復(fù)位電路就會產(chǎn)生一個低電平，輸入到芯片的RESET口，使得芯片重新啟動，執(zhí)行一系列的硬件初始化操作，并且將芯片的相關(guān)寄存器組恢復(fù)為默認(rèn)的數(shù)值，使得程序從默認(rèn)的地方開始執(zhí)行。

3.2 電源模塊的設(shè)計(jì)

由于CC2430具有出色的低功耗性能，因此，硬件平臺采用4節(jié)1.5 V干電池供電。因?yàn)镃C2430及其外圍電路采用3.3 V電源供電，所以需要設(shè)計(jì)一個DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路，將電池輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V工作電壓，使系統(tǒng)在4 V～6 V電池電壓范圍內(nèi)正常工作。選用AS2815-3.3線性電壓轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能，電路原理圖如圖6所示。圖中VCC_5 V是干電池提供的系統(tǒng)電源，VCC_3.3 V為信號采集模塊中光耦隔離電路電源，經(jīng)磁珠FB1濾波后作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的主電源VDD_3.3 V。

3.3 時鐘電路設(shè)計(jì)

目前所有的微控制器均為時序電路，需要一個時鐘信號才能工作。晶振電路用于向CPU及其他電路提供工作的時鐘。因此，系統(tǒng)使用較低的外部時鐘信號，以降低因高速開關(guān)時鐘所造成的高頻噪聲。本系統(tǒng)選用11.059 2 MHz的晶振。晶振的設(shè)計(jì)電路原理圖如圖7所示。

4 測試結(jié)果及結(jié)論

將所建立的硬件開發(fā)平臺通過RS232串口和PC機(jī)相連，平臺上的數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收以及平臺上ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立可以通過串口在PC機(jī)上串口助手來顯示。通過串口助手觀測硬件電路板發(fā)過來的通信信息。

操作步驟：

(1)打開一個串口調(diào)試程序，設(shè)置波特率為9 600 b/s。

(2)組成設(shè)備，讓一個節(jié)點(diǎn)作為發(fā)送設(shè)備與PC機(jī)串口相連作為節(jié)點(diǎn)A，與COM相連，設(shè)定自己為第一節(jié)點(diǎn)，開始建立網(wǎng)絡(luò)。

(3)讓另外一個節(jié)點(diǎn)與另外一臺PC機(jī)串口相連作為節(jié)點(diǎn)B，與COM相連，申請加入A建立的網(wǎng)絡(luò)。

(4)從B節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，可以從A節(jié)點(diǎn)成功接收，如圖8所示完成測試。

根據(jù)以上測試可知，ZigBee兩個節(jié)點(diǎn)之間可以按照ZigBee協(xié)議進(jìn)行正常建網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)加入和通信，這給Zig-Bee抄表設(shè)計(jì)的成功帶來希望，可以此為據(jù)進(jìn)行無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

[1]冀小平，商瑩，王光玲.基于 CC2480的 ZigBee無線水表自動抄表系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（11）：71-73.

[2]朱永利，陳濤，郭少杰.ZigBee技術(shù)在無線抄表中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信，2008，29(8)：37-39.

[3]蔣萬秋，崔明.基于MSP430單片機(jī)的紫外線強(qiáng)度探測器設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2011，27(2)：47-49.

[4]胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

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