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基于ZigBee的无线水表抄表系统的设计
来源:微型机与应用2012年第16期
魏东旭1,王 平2
(1.淮阴师范学院 物电学院,江苏 淮安223300;2.南京航空航天大学 自动化学院,江苏 南京2
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。
Abstract:
Key words :

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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