基于ZIGBEE通信下的自動(dòng)抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曹健　陸紅燕

摘 要：為了研究ZIGBEE通訊下自動(dòng)抄表系統(tǒng)，建立了實(shí)現(xiàn)ZIGBEE通訊方式的集中器設(shè)計(jì)，采用的是集總式的通信自動(dòng)抄表系統(tǒng)，主要由抄表系統(tǒng)管理中心、集中器、網(wǎng)絡(luò)通訊以及終端等部分組成。硬件部分設(shè)計(jì)選擇了ARM作為控制中心，外圍接口則主要有：輸入輸出、存儲(chǔ)系統(tǒng)和通信接口部分。軟件設(shè)計(jì)部分考慮應(yīng)用的是uC/OSII這種免費(fèi)公開(kāi)源代碼，設(shè)計(jì)了休眠、就緒、運(yùn)行、中斷、掛起等狀態(tài)。這一研究對(duì)于嵌入式系統(tǒng)與各種通信形式相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制等領(lǐng)域有一定的意義。

關(guān)鍵詞：ZIGBEE；自動(dòng)抄表系統(tǒng)；ARM

1 引言

隨著上世紀(jì)80年代，大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，市場(chǎng)上相繼出現(xiàn)了很多穩(wěn)定性好、工作可靠的電能表，其直接推動(dòng)了自動(dòng)抄表技術(shù)的迅速發(fā)展。埃及在1992年開(kāi)發(fā)的住宅電能監(jiān)視抄表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了完整信息處理系統(tǒng)，這使抄表工作正式進(jìn)入到自動(dòng)化的全新時(shí)代。國(guó)內(nèi)由于起步較晚，主流市場(chǎng)的工作人員還是以人工抄表為主，但是自動(dòng)抄表技術(shù)發(fā)展的也以非常迅猛的姿態(tài)快速發(fā)展當(dāng)中。大量的高校和相關(guān)電力企業(yè)的研究人員都開(kāi)始集中關(guān)注集中抄表系統(tǒng)的發(fā)展、探索。然而，基于ZIGBEE等通訊方式的集中器研究，依然處于一個(gè)起步和應(yīng)用發(fā)展緩慢的階段[1-2]。本文通過(guò)自行研究設(shè)計(jì)的集中器抄表設(shè)計(jì)，完成了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，這一研究對(duì)于自動(dòng)抄表系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的快速發(fā)展會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee技術(shù)

蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢后會(huì)通過(guò)一種特殊的肢體語(yǔ)言來(lái)告知同伴新發(fā)現(xiàn)的食物源位置等信息，這種肢體語(yǔ)言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡(jiǎn)單傳達(dá)信息的方式。借此意義Zigbee作為新一代無(wú)線通訊技術(shù)的命名。igBee技術(shù)具有如下特點(diǎn)：低功耗、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、安全。ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES-128的加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

建立實(shí)現(xiàn)ZIGBEE、紅外等通訊方式的集中器設(shè)計(jì)，對(duì)于其高效的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)通訊具有顯著的作用。實(shí)踐結(jié)果表明，基于紅外等通信形式的集中器設(shè)計(jì)任務(wù)相對(duì)方便，只需通過(guò)API協(xié)議就能實(shí)現(xiàn)[3-4]。本文選擇相對(duì)復(fù)雜的ZIGBEE通訊方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其基本框架如圖1所示，采用的是集總式的通信自動(dòng)抄表系統(tǒng)，主要由抄表系統(tǒng)管理中心、集中器、網(wǎng)絡(luò)通訊以及終端等部分組成。

ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)通訊中實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)中增加節(jié)點(diǎn)，如常見(jiàn)的GGSN（Gateway ZIGBEE Supporting Node，ZIGBEE網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）以及SGSN（Serving GSN，ZIGBEE服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)），其中ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)中GSN是最為重要的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。GSN是指具備移動(dòng)路由管理和可實(shí)現(xiàn)連接各種類型的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還應(yīng)能夠連到ZIGBEE寄存器。GSN是用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)終端間的格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳送。GSN一般分為2中：SGSN（Serving GSN，服務(wù)GSN）、GGSN（Gateway GSN，網(wǎng)關(guān)GSN）。前一種主要是用于記錄移動(dòng)終端的當(dāng)前位置信息和完成移動(dòng)分組數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。后一種是起網(wǎng)關(guān)作用，即和多種不同的數(shù)據(jù)連接。故也有人將GGSN認(rèn)為是ZIGBEE路由器。利用ZIGBEE在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組接受和發(fā)送的同時(shí)，還能降低服務(wù)成本，圖2就是ZIGBEE的應(yīng)用模型。

3 硬件設(shè)計(jì)

圖3為本文設(shè)計(jì)的主控電路，顯然這一電路課看成是外圍接口和中央處理器部分，設(shè)計(jì)的處理器選擇了ARM作為控制中心，外圍接口則主要有：輸入輸出、存儲(chǔ)系統(tǒng)和通信接口部分。

隨著嵌入式系統(tǒng)不斷應(yīng)用在工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域，嵌入式芯片及其相應(yīng)產(chǎn)品的發(fā)展也必然成為這一領(lǐng)域發(fā)展的原動(dòng)力。本文在選擇上述嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將主要討論圖4所示的ZIGBEE技術(shù)下的無(wú)線遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)。自動(dòng)抄表系統(tǒng)是服務(wù)商（電力公司等）與用戶之間建立的雙向通訊通道，這一設(shè)計(jì)免除了人工抄表帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)和人員消耗，還為用戶提供更全面的信息化管理的服務(wù)，通過(guò)改進(jìn)公司經(jīng)營(yíng)水平、提供增值服務(wù)等手段更好地為用戶提供服務(wù)。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分考慮應(yīng)用的是uC/OSII這種免費(fèi)公開(kāi)源代碼，利用這一代碼可以很好的利用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)硬件編程。設(shè)計(jì)的任務(wù)主要分為休眠、就緒、運(yùn)行、中斷、掛起等狀態(tài)。休眠是指任務(wù)存儲(chǔ)在內(nèi)存；就緒即任務(wù)已經(jīng)準(zhǔn)備完畢；運(yùn)行表示處理器正在運(yùn)行，中斷是指當(dāng)CPU給出命令時(shí)任務(wù)將暫停，掛起即等待事件。設(shè)計(jì)的集中器的主要是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，以及將接收到的信息上傳主站。程序設(shè)計(jì)時(shí)需要為ZIGBEE、RS485、232等通信建立對(duì)應(yīng)的通信任務(wù)和統(tǒng)一的管理任務(wù)。

5 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)的了ZIGBEE通信下無(wú)線遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)。在搭建硬件平臺(tái)和設(shè)計(jì)軟件程序后，實(shí)現(xiàn)了集中器軟件的開(kāi)發(fā)以及模塊化編。這一研究對(duì)于自動(dòng)抄表系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展將產(chǎn)生一定的幫助和示范意義。

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