為了解決ZigBee無線抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集發(fā)送集成度不高、設備繁瑣等問題,，通過對ZigBee無線標準協(xié)議的研究和對當前無線抄表系統(tǒng)實現(xiàn)過程的分析,，設計出一種基于ZigBee的電表數(shù)據(jù)收發(fā)終端。該終端主要是將MCU系統(tǒng)和RF CC2430無線射頻芯片相結合,，包括數(shù)據(jù)接收,、無線數(shù)據(jù)發(fā)送和電源三個硬件電路部分，完成對電表數(shù)據(jù)的接收和無線發(fā)送,，重點闡述該終端節(jié)點的硬件結構設計和軟件設計流程,。通過對其在無線抄表系統(tǒng)中檢測，接收發(fā)送數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,。實踐表明,，該終端可作為一個通用模塊應用到其他無線收發(fā)系統(tǒng)中，具有很強的實用性和可移植性的特點,。
0 引言
隨著無線網(wǎng)絡的不斷興起,，由于無線網(wǎng)絡技術極大的優(yōu)越性，使得越來越多的行業(yè)有線產(chǎn)品和技術被無線替代,，在我國,，自動無線抄表技術(AMR)作為一種新型的抄表技術，具有易操作,，成本低,，不入戶等優(yōu)點，ZigBee作為一種新興的無線網(wǎng)絡技術,，具有功耗低,、速率低、可靠性高,、保密性強等特點,，同時工作于國際免費頻段,，相比其他無線技術的較高網(wǎng)絡費用，大大降低了成本,，很適合應用于自動無線抄表系統(tǒng)中,。本文所設計終端是無線抄表中的重要一部分，數(shù)據(jù)收集主要采用RS 485總線和MCU控制模塊,，無線發(fā)送部分采用ZigBee無線通信模塊,。
1 ZigBee協(xié)議分析
ZigBee協(xié)議棧依次從最底層開始由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層,、網(wǎng)絡層和應用層組成,，其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層由IEEE 802．15．4工作組制定，網(wǎng)絡層和應用層(APL)由ZigBee聯(lián)盟制定,。物理層定義了3種流量等級：當頻率采用868 MHz時,，提供20 Kb／s的傳輸速率；當采用915MHz時,，提供40 Kb／s的傳輸速率,；當采用2．4 GHz時，能夠提供250 Kb／s的傳輸速率,，在我國采用的是這種免費頻段,。數(shù)據(jù)鏈路層可分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質(zhì)訪問控制子層(MAC)，其功能包括數(shù)據(jù)包的分段與重組,，數(shù)據(jù)包的順序傳輸,，無線鏈路的建立、維護和拆除,，確認模式的幀傳送和接收,，信道接入控制、幀校驗,、預留時隙管理和廣播信息管理等,。網(wǎng)絡層的功能包括拓撲管理、MAC管理,、路由管理和安全管理,。應用層是協(xié)議棧的最上層定義了各種類型的應用業(yè)務。該系統(tǒng)中主要涉及ZigBee網(wǎng)路中數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點的設計,，也可作為網(wǎng)絡路由器應用。
2 無線抄表數(shù)據(jù)收發(fā)終端總體設計
RS 485總線具有很強的抗共模干擾能力,，可以進行多點和雙向通信,，允許在一對雙絞線上驅動一個或多個設備，這樣就可以實現(xiàn)一個收發(fā)器管理多個用戶電表,?；赗S 485總線電表簡單易操作,，成本低，市場上很多都是采用RS 485智能電表,，該系統(tǒng)可以廣泛應用,。無線Zig-Bee模塊通過SPI接口接收來自微控制器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號，將數(shù)據(jù)信號發(fā)送出去,。
無線抄表數(shù)據(jù)收發(fā)終端在整個抄表系統(tǒng)中扮演的是路由和終端的角色,，是一種全功能設備FFD(Full Function Device)。該系統(tǒng)總體設計思路是：通過RS 485總線將電表數(shù)據(jù)收集,，然后通過MCU電路處理,，通過RS 232，SPI接口發(fā)送到ZigBee無線通信模,，塊,，最后利用無線通信模塊發(fā)送到路由器節(jié)點或網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)的總體結構如圖1所示,。
為了解決ZigBee無線抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集發(fā)送集成度不高,、設備繁瑣等問題，通過對ZigBee無線標準協(xié)議的研究和對當前無線抄表系統(tǒng)實現(xiàn)過程的分析,，設計出一種基于ZigBee的電表數(shù)據(jù)收發(fā)終端,。該終端主要是將MCU系統(tǒng)和RF CC2430無線射頻芯片相結合，包括數(shù)據(jù)接收,、無線數(shù)據(jù)發(fā)送和電源三個硬件電路部分,，完成對電表數(shù)據(jù)的接收和無線發(fā)送，重點闡述該終端節(jié)點的硬件結構設計和軟件設計流程,。通過對其在無線抄表系統(tǒng)中檢測,，接收發(fā)送數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。實踐表明,，該終端可作為一個通用模塊應用到其他無線收發(fā)系統(tǒng)中,，具有很強的實用性和可移植性的特點。
0 引言
隨著無線網(wǎng)絡的不斷興起,，由于無線網(wǎng)絡技術極大的優(yōu)越性,，使得越來越多的行業(yè)有線產(chǎn)品和技術被無線替代，在我國,，自動無線抄表技術(AMR)作為一種新型的抄表技術,，具有易操作，成本低,，不入戶等優(yōu)點,，ZigBee作為一種新興的無線網(wǎng)絡技術，具有功耗低,、速率低,、可靠性高,、保密性強等特點，同時工作于國際免費頻段,，相比其他無線技術的較高網(wǎng)絡費用,，大大降低了成本，很適合應用于自動無線抄表系統(tǒng)中,。本文所設計終端是無線抄表中的重要一部分,，數(shù)據(jù)收集主要采用RS 485總線和MCU控制模塊，無線發(fā)送部分采用ZigBee無線通信模塊,。
1 ZigBee協(xié)議分析
ZigBee協(xié)議棧依次從最底層開始由物理層,、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層組成,，其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層由IEEE 802．15．4工作組制定,，網(wǎng)絡層和應用層(APL)由ZigBee聯(lián)盟制定。物理層定義了3種流量等級：當頻率采用868 MHz時,，提供20 Kb／s的傳輸速率,；當采用915MHz時，提供40 Kb／s的傳輸速率,；當采用2．4 GHz時,，能夠提供250 Kb／s的傳輸速率，在我國采用的是這種免費頻段,。數(shù)據(jù)鏈路層可分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質(zhì)訪問控制子層(MAC),，其功能包括數(shù)據(jù)包的分段與重組，數(shù)據(jù)包的順序傳輸,，無線鏈路的建立,、維護和拆除，確認模式的幀傳送和接收,，信道接入控制,、幀校驗、預留時隙管理和廣播信息管理等,。網(wǎng)絡層的功能包括拓撲管理,、MAC管理、路由管理和安全管理,。應用層是協(xié)議棧的最上層定義了各種類型的應用業(yè)務,。該系統(tǒng)中主要涉及ZigBee網(wǎng)路中數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點的設計，也可作為網(wǎng)絡路由器應用,。
2 無線抄表數(shù)據(jù)收發(fā)終端總體設計
RS 485總線具有很強的抗共模干擾能力,，可以進行多點和雙向通信，允許在一對雙絞線上驅動一個或多個設備,，這樣就可以實現(xiàn)一個收發(fā)器管理多個用戶電表,。基于RS 485總線電表簡單易操作,，成本低,，市場上很多都是采用RS 485智能電表，該系統(tǒng)可以廣泛應用,。無線Zig-Bee模塊通過SPI接口接收來自微控制器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號,，將數(shù)據(jù)信號發(fā)送出去。
無線抄表數(shù)據(jù)收發(fā)終端在整個抄表系統(tǒng)中扮演的是路由和終端的角色,，是一種全功能設備FFD(Full Function Device),。該系統(tǒng)總體設計思路是：通過RS 485總線將電表數(shù)據(jù)收集，然后通過MCU電路處理,，通過RS 232,，SPI接口發(fā)送到ZigBee無線通信模，塊,，最后利用無線通信模塊發(fā)送到路由器節(jié)點或網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器,。系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。
3 收發(fā)終端硬件設計
該終端系統(tǒng)主要包括：電表數(shù)據(jù)收集電路,、無線發(fā)送電路和電源電路3部分,。
(1)電表數(shù)據(jù)收集電路主要是MCU控制電路，處理RS 485發(fā)送過來的數(shù)據(jù),。主要有MCU芯片,，RS 485控制芯片、光耦隔離器,、時鐘電路,、穩(wěn)壓電路等構成。
(2)無線發(fā)送電路主要是通過SPI接口接收MCU的處理數(shù)據(jù),，通過RF射頻天線發(fā)送,。
(3)電源電路主要是完成將交流220 V電壓轉化成直流電壓，再通過穩(wěn)壓等完成對系統(tǒng)的供電,。主要由小型變壓器,、熱敏電阻、壓敏電阻器,、穩(wěn)壓芯片等構成,。
系統(tǒng)主要器件選型：
MCU：選用Ateml公司的ATmega 64L芯片，是一款基于支持實時仿真的高性能,、低功耗的8位RISC結構的AVR微控制器,。帶有64 KB系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH，4 KB的片內(nèi)SRAM,，64 KB可選外部存儲空間,，32個通用寄存器,，實時計數(shù)器(RTC)，4個具有比較模式與PWM的靈活定時器／計數(shù)器(T／C),，2個USART,，面向字節(jié)的兩線串行接口，8路10位具有可選查分輸入級可編程增益的ADC,，看門狗定時器,，一個SPI接口，JTAG接口,，以及6個可以通過軟件進行選擇的省電模式,，滿足無線抄表系統(tǒng)中對可靠性和功耗的要求。
ZigBee芯片：選用TI公司的CC2430 RF,，其是一顆真正的系統(tǒng)芯片,，提倡CMOS解決方案，這種解決方案能夠提高性能并能滿足以ZigBee為基礎的2．4GHz ISM免費波段的應用,，同時滿足低成本,，低功耗的要求。它結合一個高性能2．4 GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器,，收發(fā)波特率250 Kb／s,。CC2430在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別為27 mA或25 mA,。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性,，特別適合無線抄表這種要求電池壽命比較長的應用。接收數(shù)據(jù)時,，當CC2430全部收到幀開始定界符SFD后,，IRQ_SFD(中斷標志位寄存器)置1；當RXFIFO中有數(shù)據(jù)時,，RFSTATUS．FIFO置1,，數(shù)據(jù)為空時，置0,；當RXFIFO中未讀過的字節(jié)超過編程設置在IOCFG0．FIFOP_THRRF_P的閾值時,，RFSTATUS．FIFOP置1，反之,，置0,。RF_N兩個引腳顯示接收和發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，RF_P引腳：接收時,，正RF(射頻)輸入信號到LNA(低噪聲放大器),；發(fā)送時，接收來自PA(功率放大器)的正RF(射頻)信號。RF_N引腳：接收時,，負RF(射頻)輸入信號到LNA(低噪聲放大器),；發(fā)送時，接收來自PA(功率放大器)的負RF(射頻)信號,。CC2430通過SPI接口接收ATmega64L的時鐘信號和片選信號,，
由內(nèi)部集成的8051核完成數(shù)據(jù)信號的處理和輸入／輸出操作，從而完成電表數(shù)據(jù)的傳輸,。
片外FLASH：用來存儲電表數(shù)據(jù)，選用金士頓1 GB SD卡,，由于電源電路的輸出電壓為5 V,，而SD卡需3．3 V供電，所以要將電壓轉換,，用SE8117T33輸出3．3 V電壓,，接到SD卡VDD引腳上。
時鐘芯片：選用Philips公司的實時時鐘芯片PCF8563T,，是一種低功耗CMOS時鐘芯片,，提供一個可編程輸出、終端輸出和掉電檢測器,，所有地址和數(shù)據(jù)都通過I2C總線接口串行傳輸,，得到最大的總線傳輸速度。
光電耦合器：選用本系統(tǒng)選用3個PC817光電耦合器,，用來隔離上下級電路,，減小電路干擾，簡化電路設計,。PC817是一種單通道線性光耦,，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓和電流信號。
穩(wěn)壓芯片：選用L7805CV,，是電源電路設計中常用的性能很好的穩(wěn)壓芯片,。該設計中MCU控制電路和電源電路都用到穩(wěn)壓芯片，是電路能得到穩(wěn)定的5 V電壓,。電源電路原理圖如圖2所示,。
圖2中R1電阻選用MYG 10K471壓敏電阻器，主要做保護電路器件,。
4 軟件設計流程
該系統(tǒng)軟件主要是MCU控制電路的初始化程序設計,，ZigBee無線模塊的初始化、接收和發(fā)送程序設計,。
初始化程序主要是對單片機,、RF芯片、SPI等進行初始化。
MCU系統(tǒng)所采集電表數(shù)據(jù)將通過單片機RS232接口,、SPI接口送至射頻發(fā)送模塊,，然后輸出。路由設備或協(xié)調(diào)器設備接收數(shù)據(jù)并處理,。
收發(fā)終端軟件總體設計流程如圖3所示,。
5 結語
本文采用MCU和RF射頻模塊設計出在ZigBee無線抄表中的電表數(shù)據(jù)采集發(fā)送終端系統(tǒng)，安裝方便,，抗干擾能力強,，具有很強的實用性，可作為一個整體功能模塊應用于其他無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,，如家用水表,，智能家居等方面，在試驗使用過程中抄表數(shù)據(jù)可靠,，無丟數(shù)據(jù)現(xiàn)象,，現(xiàn)在的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)都有一定的距離要求，在此模塊上加上RF放大模塊,，可增大傳輸距離,，但效果不明顯，利用無線路由器和定向增益天線可解決這一問題,，可完全滿足局域距離要求,，且可作為集成模塊應用到其他無線傳輸系統(tǒng)中，通用性和可移植性增強,。
