摘 要： 為方便、準(zhǔn)確、及時地對用戶水表用水量進行抄讀，實現(xiàn)水表抄表的自動化、網(wǎng)絡(luò)化和規(guī)范化，建立了基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的自動抄表系統(tǒng)，提出了無線抄表的方案，并完成了對節(jié)點電路及各相應(yīng)模塊電路的設(shè)計。通過測試，節(jié)點模塊能準(zhǔn)確地對脈沖水表進行抄讀，并且各節(jié)點之間可以順利、準(zhǔn)確地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，證實了將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于無線抄表的可能性。
關(guān)鍵詞： ZigBee；無線抄表；節(jié)點；無線網(wǎng)絡(luò)
目前的自動抄表系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)傳輸角度劃分，可分為有線、無線兩大類。這兩大類抄表系統(tǒng)各有其適用的應(yīng)用領(lǐng)域，但就抄表系統(tǒng)的投資、建設(shè)、維護等幾方面而言，無線抄表系統(tǒng)顯然具有更大優(yōu)勢。
從應(yīng)用角度而言，目前市場上的幾種水表的無線抄表方案或多或少存在以下幾種問題：(1)使用成本較高；(2)網(wǎng)絡(luò)的自管理能力有限；(3)抄表終端的供電問題難以很好地解決，由于抄表終端難以做到極低功耗，所以供電問題始終是一個瓶頸。
1 ZigBee技術(shù)
1.1 ZigBee技術(shù)簡介
隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)要求的技術(shù)，稱之為ZigBee，它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于自動控制、遠程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。采用ZigBee技術(shù)可以為水表的無線抄表提供很好的解決方案。
目前主要的無線技術(shù)都集中在1 Mb/s以上的速率，新的標(biāo)準(zhǔn)還在追求更快的速率；而IEEE 802.15.4/ZigBee恰恰填補了低速率無線通信技術(shù)的空缺，與其他標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用上幾乎無交叉[1]。
1.2 ZigBee協(xié)議架構(gòu)
完整的ZigBee協(xié)議棧主要由物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、安全層和高層應(yīng)用規(guī)范組成。其中，物理層和MAC層由IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制定。ZigBee協(xié)議架構(gòu)[2]如圖1所示。
在節(jié)點系統(tǒng)中，采用MSP430單片機實現(xiàn)對脈沖水表和ZigBee無線模塊CC2430的控制。
MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集(RISC)的混合信號處理器[3-4]（Mixed Signal Processor）。之所以稱為混合信號處理器，是由于其針對實際應(yīng)用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。該系列單片機多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。
CC2430芯片作為單芯片ZigBee解決方案，已經(jīng)將ZigBee主要功能電路封裝在模塊內(nèi)[5-6](如時鐘電路、RF電路、溫度檢測等)，同時芯片內(nèi)集成了8051 MCU，理論上可以制作為獨立的終端設(shè)備，但是考慮到下載程序的要求，必須讓其與單片機構(gòu)成同一系統(tǒng)，這樣才能下載程序，才能更好地實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。因此要設(shè)計相應(yīng)外圍電路，包括復(fù)位電路、電源電路、晶振時鐘電路、接口電路等。
3.3 時鐘電路設(shè)計
目前所有的微控制器均為時序電路，需要一個時鐘信號才能工作。晶振電路用于向CPU及其他電路提供工作的時鐘。因此，系統(tǒng)使用較低的外部時鐘信號，以降低因高速開關(guān)時鐘所造成的高頻噪聲。本系統(tǒng)選用11.059 2 MHz的晶振。晶振的設(shè)計電路原理圖如圖7所示。
4 測試結(jié)果及結(jié)論
將所建立的硬件開發(fā)平臺通過RS232串口和PC機相連，平臺上的數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收以及平臺上ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立可以通過串口在PC機上串口助手來顯示。通過串口助手觀測硬件電路板發(fā)過來的通信信息。
操作步驟：
(1)打開一個串口調(diào)試程序，設(shè)置波特率為9 600 b/s。
(2)組成設(shè)備，讓一個節(jié)點作為發(fā)送設(shè)備與PC機串口相連作為節(jié)點A，與COM相連，設(shè)定自己為第一節(jié)點，開始建立網(wǎng)絡(luò)。
(3)讓另外一個節(jié)點與另外一臺PC機串口相連作為節(jié)點B，與COM相連，申請加入A建立的網(wǎng)絡(luò)。
(4)從B節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，可以從A節(jié)點成功接收，如圖8所示完成測試。
根據(jù)以上測試可知，ZigBee兩個節(jié)點之間可以按照ZigBee協(xié)議進行正常建網(wǎng)、節(jié)點加入和通信，這給ZigBee抄表設(shè)計的成功帶來希望，可以此為據(jù)進行無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計。
參考文獻
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