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(shè)備繁瑣等問題,通過對ZigBee無線標(biāo)準協(xié)議的研究和對當(dāng)前無線抄表系統(tǒng)實現(xiàn)過程的分析,設(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件設(shè)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(yīng)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(luò)的不斷興起,由于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shù)被無線替代,在我國,自動無線抄表技術(shù)(AMR)作為一種新型的抄表技術(shù),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(luò)技術(shù),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(shù)的較高網(wǎng)絡(luò)費用,大大降低了成本,很適合應(yīng)用于自動無線抄表系統(tǒng)中。本文所設(shè)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(luò)層和應(yīng)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(luò)層和應(yīng)用層(APL)由ZigBee聯(lián)盟制定。物理層定義了3種流量等級:當(dāng)頻率采用868 MHz時,提供20 Kb/s的傳輸速率;當(dāng)采用915MHz時,提供40 Kb/s的傳輸速率;當(dāng)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(yù)留時隙管理和廣播信息管理等。網(wǎng)絡(luò)層的功能包括拓撲管理、MAC管理、路由管理和安全管理。應(yīng)用層是協(xié)議棧的最上層定義了各種類型的應(yīng)用業(yè)務(wù)。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(shè)計,也可作為網(wǎng)絡(luò)路由器應(yīng)用。
2 無線抄表數(shù)據(jù)收發(fā)終端總體設(shè)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(qū)動一個或多個設(shè)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(yīng)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(shè)備FFD(Full Function Device)。該系統(tǒng)總體設(shè)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(luò)協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)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(shè)備繁瑣等問題,通過對ZigBee無線標(biāo)準協(xié)議的研究和對當(dāng)前無線抄表系統(tǒng)實現(xiàn)過程的分析,設(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件設(shè)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(yīng)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(luò)的不斷興起,由于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shù)被無線替代,在我國,自動無線抄表技術(shù)(AMR)作為一種新型的抄表技術(shù),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(luò)技術(shù),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(shù)的較高網(wǎng)絡(luò)費用,大大降低了成本,很適合應(yīng)用于自動無線抄表系統(tǒng)中。本文所設(shè)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(luò)層和應(yīng)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(luò)層和應(yīng)用層(APL)由ZigBee聯(lián)盟制定。物理層定義了3種流量等級:當(dāng)頻率采用868 MHz時,提供20 Kb/s的傳輸速率;當(dāng)采用915MHz時,提供40 Kb/s的傳輸速率;當(dāng)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(yù)留時隙管理和廣播信息管理等。網(wǎng)絡(luò)層的功能包括拓撲管理、MAC管理、路由管理和安全管理。應(yīng)用層是協(xié)議棧的最上層定義了各種類型的應(yīng)用業(yè)務(wù)。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(shè)計,也可作為網(wǎng)絡(luò)路由器應(yīng)用。
2 無線抄表數(shù)據(jù)收發(fā)終端總體設(shè)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(qū)動一個或多個設(shè)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(yīng)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(shè)備FFD(Full Function Device)。該系統(tǒng)總體設(shè)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(luò)協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3 收發(fā)終端硬件設(shè)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(gòu)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(zhuǎn)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǔ)的2.4GHz ISM免費波段的應(yīng)用,同時滿足低成本,低功耗的要求。它結(jié)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(zhuǎn)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(yīng)用。接收數(shù)據(jù)時,當(dāng)CC2430全部收到幀開始定界符SFD后,IRQ_SFD(中斷標(biāo)志位寄存器)置1;當(dāng)RXFIFO中有數(shù)據(jù)時,RFSTATUS.FIFO置1,數(shù)據(jù)為空時,置0;當(dāng)RXFIFO中未讀過的字節(jié)超過編程設(shè)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(zhuǎn)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(shè)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(shè)計中常用的性能很好的穩(wěn)壓芯片。該設(shè)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(shè)計流程
該系統(tǒng)軟件主要是MCU控制電路的初始化程序設(shè)計,ZigBee無線模塊的初始化、接收和發(fā)送程序設(shè)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(shè)備或協(xié)調(diào)器設(shè)備接收數(shù)據(jù)并處理。
收發(fā)終端軟件總體設(shè)計流程如圖3所示。
5 結(jié)語
本文采用MCU和RF射頻模塊設(shè)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(yīng)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(yīng)用到其他無線傳輸系統(tǒng)中,通用性和可移植性增強。