基于ZigBee的无线水表抄表系统的设计
发布时间：2012-10-25 16:09
发布者：李宽
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魏东旭1，王 平2 时间:2012年10月24日 来源：微型机与应用2012年第16期 摘 要： 为方便、准确、及时地对用户水表用水量进行抄读，实现水表抄表的自动化、网络化和规范化，建立了基于ZigBee无线网络的自动抄表系统，提出了无线抄表的方案，并完成了对节点电路及各相应模块电路的设计。通过测试，节点模块能准确地对脉冲水表进行抄读，并且各节点之间可以顺利、准确地实现数据的传输，证实了将ZigBee技术应用于无线抄表的可能性。 关键词： ZigBee；无线抄表；节点；无线网络 目前的自动抄表系统，从数据传输角度划分，可分为有线、无线两大类。这两大类抄表系统各有其适用的应用领域，但就抄表系统的投资、建设、维护等几方面而言，无线抄表系统显然具有更大优势。 从应用角度而言，目前市场上的几种水表的无线抄表方案或多或少存在以下几种问题：(1)使用成本较高；(2)网络的自管理能力有限；(3)抄表终端的供电问题难以很好地解决，由于抄表终端难以做到极低功耗，所以供电问题始终是一个瓶颈。 1 ZigBee技术 1.1 ZigBee技术简介 随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术，称之为ZigBee，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制、远程控制领域及家用设备联网。采用ZigBee技术可以为水表的无线抄表提供很好的解决方案。 目前主要的无线技术都集中在1 Mb/s以上的速率，新的标准还在追求更快的速率；而IEEE 802.15.4/ZigBee恰恰填补了低速率无线通信技术的空缺，与其他标准在应用上几乎无交叉[1]。 1.2 ZigBee协议架构 完整的ZigBee协议栈主要由物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、网络层(NWK)、安全层和高层应用规范组成。其中，物理层和MAC层由IEEE 802.15.4协议标准定义，网络层和应用层由ZigBee联盟制定。ZigBee协议架构[2]如图1所示。 
在节点系统中，采用MSP430单片机实现对脉冲水表和ZigBee无线模块CC2430的控制。 MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器[3-4]（Mixed Signal Processor）。之所以称为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。 CC2430芯片作为单芯片ZigBee解决方案，已经将ZigBee主要功能电路封装在模块内[5-6](如时钟电路、RF电路、温度检测等)，同时芯片内集成了8051 MCU，理论上可以制作为独立的终端设备，但是考虑到下载程序的要求，必须让其与单片机构成同一系统，这样才能下载程序，才能更好地实现对系统的控制。因此要设计相应外围电路，包括复位电路、电源电路、晶振时钟电路、接口电路等。 
3.3 时钟电路设计 目前所有的微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作。晶振电路用于向CPU及其他电路提供工作的时钟。因此，系统使用较低的外部时钟信号，以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声。本系统选用11.059 2 MHz的晶振。晶振的设计电路原理图如图7所示。 
4 测试结果及结论 将所建立的硬件开发平台通过RS232串口和PC机相连，平台上的数据的发送和接收以及平台上ZigBee网络的建立可以通过串口在PC机上串口助手来显示。通过串口助手观测硬件电路板发过来的通信信息。 操作步骤： (1)打开一个串口调试程序，设置波特率为9 600 b/s。 (2)组成设备，让一个节点作为发送设备与PC机串口相连作为节点A，与COM相连，设定自己为第一节点，开始建立网络。 (3)让另外一个节点与另外一台PC机串口相连作为节点B，与COM相连，申请加入A建立的网络。 (4)从B节点发送数据，可以从A节点成功接收，如图8所示完成测试。 
根据以上测试可知，ZigBee两个节点之间可以按照ZigBee协议进行正常建网、节点加入和通信，这给ZigBee抄表设计的成功带来希望，可以此为据进行无线抄表系统的设计。 参考文献 [1] 冀小平，商莹，王光玲.基于CC2480的ZigBee无线水表自动抄表系统研究与设计[J].现代电子技术，2009，32（11）：71-73. [2] 朱永利，陈涛，郭少杰.ZigBee技术在无线抄表中的应用[J].电力系统通信，2008，29(8)：37-39. [3] 蒋万秋，崔明.基于MSP430单片机的紫外线强度探测器设计[J].微计算机信息，2011，27(2)：47-49． [4] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2000． [5] 汪玉凤，姜林.基于ZigBee和GPRS的无线抄表系统[J]. 仪表技术与传感器，2010(10)：49-50. [6] 尹应鹏，李平舟，郭志华.基于CC2430的ZigBee无线数传模块的设计和实现[J].电子元器件应用，2008(4)：18-21. |
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