基于ZigBee的無線水表抄表系統的設計*

魏東旭 ，王 平

（1.淮陰師范學院 物電學院，江蘇 淮安223300；2.南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京210016）

目前的自動抄表系統，從數據傳輸角度劃分，可分為有線、無線兩大類。這兩大類抄表系統各有其適用的應用領域，但就抄表系統的投資、建設、維護等幾方面而言，無線抄表系統顯然具有更大優勢。

從應用角度而言，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)網絡的自管理能力有限；(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

1.1 ZigBee技術簡介

隨著無線通信技術的不斷發展，近年來出現了面向低成本設備無線聯網要求的技術，稱之為ZigBee，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適用于自動控制、遠程控制領域及家用設備聯網。采用ZigBee技術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都集中在1 Mb/s以上的速率，新的標準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的空缺，與其他標準在應用上幾乎無交叉[1]。

1.2 ZigBee協議架構

完整的 ZigBee協議棧主要由物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、網絡層(NWK)、安全層和高層應用規范組成。其中，物理層和MAC層由IEEE 802.15.4協議標準定義，網絡層和應用層由ZigBee聯盟制定。ZigBee協議架構[2]如圖1所示。

2 無線抄表系統設計

2.1 無線抄表系統構架

分析自來水抄表系統的技術要求，結合ZigBee技術的特點和技術優勢，在實際應用中，根據抄表用戶的不同分布靈活地構建抄表的無線網絡。

所構建的ZigBee網絡既可以是星型拓撲，也可以是網狀網絡拓撲。不論是哪種拓撲結構的ZigBee網絡，根據實際的組網要求，設計合理的網絡結構。如圖2所示，本系統的拓撲結構采用MESH網狀網絡結構，保證數據傳輸的可靠性。每幢單元樓設置一個ZigBee遠端節點，一個小區設置一個ZigBee中心節點，ZigBee中心節點數據集中上傳到集抄中心。

2.2 基于ZigBee無線通信技術的智能水表

水表本體部分仍舊選用目前市場上的帶脈沖輸出的水表，因為水表的制造工藝成熟，不必自行開發任何部件，利用原有可靠的技術能節約開發時間和成本。水表的機械表頭讀數仍舊存在，當通信異常或智能水表計數部分故障時，依然可以讀取數據,減少故障帶來的計量損失。圖3所示為智能水表的結構框圖。

3 ZigBee節點電路設計

系統結構框圖如圖4所示。在本系統中，每個終端既是采集器模塊、中繼器模塊，同時又是集中器中的 ZigBee數據收發模塊。但各模塊功能各不相同，主要通過軟件實現。

在節點系統中，采用MSP430單片機實現對脈沖水表和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用需求，將多個不同功能的模擬電路、數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，已經將ZigBee主要功能電路封裝在模塊內[5-6](如時鐘電路、RF電路、溫度檢測等)，同時芯片內集成了 8051 MCU，理論上可以制作為獨立的終端設備，但是考慮到下載程序的要求，必須讓其與單片機構成同一系統，這樣才能下載程序，才能更好地實現對系統的控制。因此要設計相應外圍電路，包括復位電路、電源電路、晶振時鐘電路、接口電路等。

3.1 復位電路設計

復位電路主要完成系統的復位功能，可以采用上電復位和系統在運行時用戶的按鍵復位。復位電路可以由簡單的RC電路構成，也可以選用專門的系統復位芯片。為了簡化電路，本系統選取了復位開關的方式，即可以通過手動控制系統的復位。系統復位電路如圖5所示。在系統需要復位時，可以按下S鍵，復位電路就會產生一個低電平，輸入到芯片的RESET口，使得芯片重新啟動，執行一系列的硬件初始化操作，并且將芯片的相關寄存器組恢復為默認的數值，使得程序從默認的地方開始執行。

3.2 電源模塊的設計

由于CC2430具有出色的低功耗性能，因此，硬件平臺采用4節1.5 V干電池供電。因為CC2430及其外圍電路采用3.3 V電源供電，所以需要設計一個DC-DC電源轉換電路，將電池輸入電壓轉換為3.3 V工作電壓，使系統在4 V～6 V電池電壓范圍內正常工作。選用AS2815-3.3線性電壓轉換芯片實現轉換功能，電路原理圖如圖6所示。圖中VCC_5 V是干電池提供的系統電源，VCC_3.3 V為信號采集模塊中光耦隔離電路電源，經磁珠FB1濾波后作為網絡節點的主電源VDD_3.3 V。

3.3 時鐘電路設計

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，系統使用較低的外部時鐘信號，以降低因高速開關時鐘所造成的高頻噪聲。本系統選用11.059 2 MHz的晶振。晶振的設計電路原理圖如圖7所示。

4 測試結果及結論

將所建立的硬件開發平臺通過RS232串口和PC機相連，平臺上的數據的發送和接收以及平臺上ZigBee網絡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過來的通信信息。

操作步驟：

(1)打開一個串口調試程序，設置波特率為9 600 b/s。

(2)組成設備，讓一個節點作為發送設備與PC機串口相連作為節點A，與COM相連，設定自己為第一節點，開始建立網絡。

(3)讓另外一個節點與另外一臺PC機串口相連作為節點B，與COM相連，申請加入A建立的網絡。

(4)從B節點發送數據，可以從A節點成功接收，如圖8所示完成測試。

根據以上測試可知，ZigBee兩個節點之間可以按照ZigBee協議進行正常建網、節點加入和通信，這給Zig-Bee抄表設計的成功帶來希望，可以此為據進行無線抄表系統的設計。

[1]冀小平，商瑩，王光玲.基于 CC2480的 ZigBee無線水表自動抄表系統研究與設計[J].現代電子技術，2009，32（11）：71-73.

[2]朱永利，陳濤，郭少杰.ZigBee技術在無線抄表中的應用[J].電力系統通信，2008，29(8)：37-39.

[3]蔣萬秋，崔明.基于MSP430單片機的紫外線強度探測器設計[J].微計算機信息，2011，27(2)：47-49.

[4]胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2000.

[5]汪玉鳳，姜林.基于 ZigBee和 GPRS的無線抄表系統[J].儀表技術與傳感器，2010(10)：49-50.

[6]尹應鵬，李平舟，郭志華.基于CC2430的ZigBee無線數傳模塊的設計和實現[J].電子元器件應用，2008(4)：18-21.