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基于CC2480的Zigbee无线水表自动抄表系统研究与设计.pdf

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2009年 第 l1期 总 第 298  基 于 CC2480的 Zigbee无 线水 表  自动 抄 表 系统 研 究 与 设 计  冀 小平 ,商  莹 ,王 光玲  (太 原 理 工 大 学 信 息 工 程 学 院  山 西 太 原 030024)  摘 要 :随 着科 技 的 飞速 发 展 ,传 统 抄 水 表 技 术 已 不再 适 合 当今 物 业 管 理 的 需要 ,无 线 自动 抄 水 表 技 术 与 其 相 比具 有 不  入 户 、管 理 费 用低 ,快 速 以及 避 免 误 抄 、错 抄 等 优 点 。基 于 此 设 计 了一 种 无 线 抄 表 系 统 ,该 设 计 共 包含 远 程 用 户 终 端 模 块 和  无 线 收 发 模 块 两 部 分 ,这 两部 分都 采 用射 频 芯 片 CC2480和 相 应 的 电路 组 成 ,并 采 用 TI最 新 推 出 的 首款 Z—Accel系列 处 理  器 。用 二 进 制 计 数 方 法 读 取 水 表 数 据 ,然后 通 过射 频 部 分 收 集 此 数 据 ,实现 不 入 户 采 集 多户 数 据 ,且 成 本 较 低 。  关 键 词 :Zigbee;无 线 网络 ;IEEE 802.15.4规 范 ;CC2480;传 统 抄 水 表 ;无 线 抄 水袁   中 图 分 类 号 :TN915  文 献 标 识 码 :A  文 章 编 号 :1004—373X(2009)11—071一O3  Research and Design of CC2480 ——based Zigbee W ireless M eter Reading Syst em  for W at er M eters  JI Xaoping,SHANG Ying,W ANG Guangling  (College of Inform ation Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,030024,China)  Abstract:W ith the rapid development of science and technology,traditional meter reading technology is no longer suitable  for present property m anagem ent needs,com paring to w ireless autom atic m eter— reading,it hasn t go into hom es,adm inistra—  tive costs low ,as well as fast to avoid misuse of copy and w rong copy,etc.A w ireless m eter reading system  is designed.The  design consists of tw o parts:rem ote end —user m odule and w ireless transceiver modules.These tWO parts consist of radio —fre—  quency chips CC2480 and corresponding circuit.U sing TI S new Z — Accel S first series processor。using processor binary  counting m ethod w hich read w ater m eter data then through the radio frequency to collect data,reading m ore data doesn t go in—  to hom es and lOW cost.  Keywords:Zigbee;w ireless network;IEEE 802.15.4 specification;CC2480;traditional meter reading;w ireless m eter reading  0  引  言  随着现 代科技 的 飞速发 展 ,无线抄 表 系统越 来 越受  到人们 的亲 睐并 逐渐 取 代 了传 统 的抄 表 系统 传统 抄 表  系统大致 可 以分 为 三类 [1]:智 能 卡水 表 、有 线 自动 抄 表  系统 、无 线智 能水 表 。其 中有 线 自动抄 表 系统 又可 分为  分 线制集 中抄 表 和总 线 制集 中抄 表 。由 于前 两 种 方 式  都存 在着 不利 因素 ,故 目前无 线 自动抄 表 系统越 来越 受  到 业 界 的 瞩 目[2]。  1  Zigbee技术 简 介  1.1  Zigbee技 术 概 述  Zigbee采 用 IEEE 802.15.4通 信 标 准 ,工 作 于 免  申请和 免费 使用 的 2.4 GHz频 段 ,是 一 种 新 兴 的短 距  离 、低功 耗 、低 数据 速 率 、低 成 本 、低 复 杂度 的无 线 网络  技术 ,主 要用 于近距 离传 输 ,适合 用 于无线数 据 采集 、无  收 稿 日期 :2008—10—16  线工 业 控制 、消费 性 电子设 备 、汽车 自动 化 、家 庭和 楼宇  自动化 、医 用设 备控 制 、远 程 网 络 控 制 等 场 合 。Zigbee  技术 同 Bluetooth,Wi—Fi相 比较具 有 如下优 点 :  数 据 传 输 速 率 低 :1O~ 250 KB/s,专 注 于 低 传 输  应 用 。  功耗 低 :在 低 功耗 待 机 模 式下 ,两节 普 通 5号 电池  可使用 6~ 24个月 。  成 本 低 :Zigbee数 据 传 输 速 率 低 ,协 议 简 单‘,所 以  大 大降 低 了成本 。  网络容 量大 :网络可 容纳 65 000个 设 备 。  时 延短 :典 型 搜 索 设 备 时 延 为 30 ms;休 眠激 活 时  延 为 15 ms;活 动设备 信道 接入 时延 为 15 ms。  网络 的 自组 织 、自愈 能力强 ,通信 可靠 。  数 据 安 全 :Zigbee提 供 了数 据 完 整 性 检 查 和 鉴 权  功能 ,采 用 AES一128加 密 算法 ,各 个 应 用 可灵 活确 定  其 安 全属 性L3]。  1.2  Zigbee网 络 拓 扑 结 构  Zigbee技术 具有 强 大 的组 网 能力 ,可 以形 成 星 型 、  7】  冀  垩  :基王  2480的 Zigbee无线 水表自动抄表系统研究与设计  树 型和 MESH 网状 网如 图 1所示 。实 际 中根据需 要选  择 合适 的 网络结 构 。  。 ,.  ,,B-、  ≮:● ·· 掣 I、 、  ,.  @ 网  佩器  :  二  a m  ̄ 、、. 外部 MCU 上运行 。CC248O能够 处理所 有 时序关 键 型  与处 理 密集 型 Zigbee协 议 任 务 ,而将 应 用 MCU 的 资  源 占用 的空 间释 放 出来 用 于满足其 他程 序的要 求嘲 。  ·  ·  1   ≥0j ,,. l  _  /\\  l  楼  一  l  块  网络 协 调器 就 是 网络 中的 中 心 节  点 ,是 网络 的组 织 者 ,负责 网络 组 建 和  信 息路 由 ;全 功 能设 备 FFD 可 作 为 协  调器使用 ,是具 有路 由与中继 功能 的 网  络 节点 ,可 以与 RFD节点 通信 ,也可 以  与别 的 FFD节 点 通 信 ;精 简 功 能 设 备  RFD 节 点作 为 网络 终 端 节 点 ,相 互 间  不 能直接 通信 ,只 能 通 过 FFD 节 点 发  送 和接 收 信 息 ,不 具 有 路 由和 中 继 功  能 。但 FRD 和 FFD 的硬 件 结 构 完 全  相 同 ,只 是 网 络 层 不 一 样 『4]。  2 设 计 方 案  本设 计 主 要 用 于楼 宇水 表 的 自动  抄 表 ,抄 表 人 员 可 以 不 用 进 入 各 个 住 户  而将 表数据读 回。图 2为单元楼 内 Zig—  bee通信框 图。总体设 计 为首 先在 单 元  楼 内安装一个 Zigbee数 据采 集模 块 ,用  于方便读表 人员 收集 各住 户 水表 数据 ;  同时还 要 在 各 住 户 家 中 安 装 一 Zigbee  远程用户终 端模 块 ,其 主要 用 来读 取 水  表的数 据 然后 通 过 Zigbee的射 频 部 分  将数据传输 到 Zigbee的数据采集模块 。  2.1  CC2480介 绍  Zigbee远 程用 户终端 模块 和 Zigbee数 据采 集模 块  中 ,Zigbee部 分采 用 德 州 仪 器 (TI)近 日宣 布 推 出最 新  Z—Accel系列 2.4 GHz Zigbee认证 网络处 理器 中的首  款产 品—— CC248O来 完 成 ,CC2480只 需 要 很 少 的外  围器 件 (外 围 电路 如 图 3所 示 )且 该 器件 无 需 了解 繁琐  的全 功 能 Zigbee协议 栈 ,从 而 减 少 开 发时 间并 简化 了  Zigbee功能 。CC2480不仅 能 够 通过 SPI或 UART 接  口与各种 MCU 通 信 ,还 能 与 TI的 MPS430超 低 功耗  MCU 等 器件 相结 合 。Z—stack软 件 Zigbee一2006协  72  图 3  CC2480外 围 电路  2.2  Zigbee远 程 用 尸 终 端 模 块   Zibbee远 程用 户终端 模块 安 装 于 单元 楼 中各 住 户  家 中。在远 程用户 终端 模 块 中采 用 8条数 据 线 来实 现  读 取水 表数 据 ,其 中 8条 数据 线与水 表连接 部分此 处不  做 讨论 。Zigbee远 程 用 户 终 端 模 块 如 图 4所 示 。其  中 ,数 据线 1,2,3用于 通过三 线译码 来控 制水表 数据 的  某 位 ;数据 线 4,5,6,7用 于显 示 水 表 某位 上 的数 据 ;8  为地 线 。例 如 ,数 据 线 1,2,3状 态 为 000,则 4,5,6,  7位 显示 数字 为水表 第一 位数 字读 数 ;数 据 线 1,2,.3状  态为 111,则 4,5,6,7位显 示数 字 为水 表第 八 位数 字读  数 。在每一 位读 数后 分别送人 Zigbee模块 进行处 理 。  2009年 第 11期 总 第 298  水表  8  7  6  5  4  zigbee模块  3  2  l  图 4  Zigbee远 程 用 尸 终 端 模 块  2.3  Zigbee数 据 采 集模 块  Zigbee数 据 采 集 模 块 (见 图 5)安 装 于单 元 楼 中 的  一 层 或 比较 方便 读表 员读 表 的位 置 。 当 Zigbee模 块 收  到数据 时通 过 LED 驱 动 芯 片将 数 据 输 出 到 LED显 示  器上 ,这样读 表 人员 就可 以清 楚 读数 ,其 中前 两位 用 于  显 示各 住户 的房 间号 ,后 六 位用 于显示 对应 房 间号 的水  表数 据 。键 盘用 于 控 制 LED 显 示器 。其 中 ,智 能键 盘  和 LED驱动 及 USB驱 动 分 别 采 用 芯 片 RIC16C63和  芯 片 USBN9602。  LED  .J1器  键盘  图 5  Zigbee数 据 采 集 模 块   RIC16C63是一款 高性 能 8位微 处 理 器 ,具 有 优 越  的 RISC 结 构 ,指 令 系 统 只 有 35 条 指 令 。 具 有  UARST,SPI,I。C多种 串行 驱 动功 能 ,片 内有 三个 定 时  器 。其 特点如 下 :  (1)与 CPU 链 接 方 式 采 用 I C 接 口 (也 可 采 用  USART 串行 通信接 口方 式或 三线 制 SPI接 口方式 )。  (2)最 多 l6个 键盘 输入 ,可提 供键 盘 中断信 号 。  (3)可提 供 8个 LED数 码 管 ,可选 择 BCD 码 数 字  驱动 方式或 段驱 动方 式 ,具 有 LED亮 度 软件设 置 功能 。  (4)同时执 行键 盘 和显示 操作 。  USBN9602是标 准双列 直插 式 28引 脚芯 片 。芯片  内部 总 共 带 有 7个 传 送 /接 收 FIFO 缓 冲 器 ,1个 双  向传送 和接 收FIFO缓 冲器 ,3个 单 向传送 FIFO缓 冲器 ,  3个单 向 接 收 FIFO 缓 冲 器 。USBN9602广 泛 用 于 测  控技 术 、数 据 采集 、信号 处理 等 引。  3  结  语  以 Zigbee网络 技 术 为 支 撑 的无 线 自动 抄 水 表 系  统 ,相 比人 工抄 表方 式或 其他 自动 抄水表 系 统大 大降低  了运行 成本 和功 耗 ,工 作效 率 明显 提 高 ,节 点 硬 件 也 易  于 实现 ,避 免 了 有 线 抄 表 系 统 施 工 布 线 带 来 的 各 种 问  题 。本设 计 提 出的方 案 ,硬 件 已经 实 现 ,当 用户 用 水 时  用 户水 表 的液 轮 滚 动 ,Zigbee远 程 终 端 用 户 模 块 通 过  译码 方式 采集 到水 表数 据 ,然 后 通过此 模块 的射 频部 分  传输 到 Zigbee数 据采集 模块 。采 集 到 的数 据有 时有 延  时 ,主要 原 因 可 能是 Zigbee的 射 频部 分 所 致 ,因此 ,还  要经 过大 量 实验 ,调 节 Zigbee的射频 部 分 ,使采 集 到 的  数 据更 加精 确 。  参 考 文 献  [1] 何 岸 .基 于 Zigbee的 自动 电抄 表 系 统 的 实 现 [D].成 都 :电 子  科 技 大 学 ,2007.‘  [2] 王 凯 ,彭 瑜 ,郑 丽 国 ,等 .基 于 Zigbee无 线 水 表 自动 抄 表 系 统  的研 究 与设 计 [J].自动 化仪 表 ,2006,21(1):279—282.  [3] 杜 丽 敏 ,郭 文成 .Zigbee技 术 在 远 程 抄 表 系 统 中 的 应 用 [J].  单 片 机 与 嵌 入 式 系 统 应 用 ,2006(7):43—44.  [4] 成 锐 ,李 静 ,雷 鸣 ,等 .基 于 Zigbee的无 线 传 感 器 网 络 设 计 方  案 [J].电子 元 器 件 应 用 ,2007,9(12):54—58.  [5] 徐 俊 毅 .TI推 Zigbee无 线 网 络 处 理 器 新 概 念 [J].电 子 与 电  脑 ,2008(6):30—32.  [6] 石 东 海 .单 片 机 数 据 通 信 技 术 从 入 门 到 精 通 [M].西 安 :西  安 电 子科 技 大 学 出 版 社 ,2002.  [7] 李 方 .基 于 Zigbee网 络 技 术 的 无 线 自动 抄 电 表 系 统 探 索  [J].阜 阳 师 范 学 院 学 报 :自然 科 学 版 ,2007,24(1):64—66.  [8] 闫银 发 ,公 茂 法 ,汤 元 信 .基 于 Zigbee技 术 的 无 线 网 络 抄 表  系统 设 计 [J].电 测 与 仪 表 ,2006(6):46—48.  [9] 肖本 强 .基 于 Zigbee协 议 的 远 程 抄 表 系 统 基 站 的 设 计 [J].  微 计 算 机 信 息 ,2008,24(4):137—139.  [1O] 刘 江 沙.基 于 CC243o的 串 口 无 线 模 块 的设 计 [J].国 外 电  子 元 器 件 ,2007(4):47—49.  [11] 昂志 敏 ,金 海 红 ,范 之 国.基 于 Zigbee的 无 线 传 感 器 网 络 节  点 的设 计 与 通 信 实 现 [J].现 代 电 子 技 术 ,2007,30(10):  47-49,57.  [12]吴光荣 ,章 剑雄.基 于 CC2430的无线 传 感器 网 络的 实现  [J].现 代 电子 技 术 ,2008,31(12):121—124.  《坝代电子技市》(半月刊)  欢娅投葺 029-85398771  73 

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