基于Zigbee的嵌入式自動(dòng)抄表系統(tǒng)的研究

　　1 概述

　　自動(dòng)抄表系統(tǒng)[1]是一種不需要人工到現(xiàn)場(chǎng)就能完成抄錄用戶電表數(shù)據(jù)的自動(dòng)化管理系 統(tǒng)。 ZigBee 技術(shù)是近幾年興起的一種面向自動(dòng)化和無(wú)線控制的雙向無(wú)線通信技術(shù)。它具有 [2]近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度、低成本的特點(diǎn)，而且網(wǎng)絡(luò)容量大、時(shí)延短、安 全、可靠。正是以上優(yōu)點(diǎn)使ZigBee 技術(shù)為自動(dòng)抄表系統(tǒng)的發(fā)展提供了更好的選擇。采用 ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，利用免費(fèi)頻段進(jìn)行通訊，協(xié)同監(jiān)測(cè)各用戶用電情況，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、自 主路由的通訊，都是自動(dòng)抄表領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

　　2 zigbee 自動(dòng)抄表總體設(shè)計(jì)方案

　　本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為三層:終端節(jié)點(diǎn)、基站、控制中心。系統(tǒng)工作過(guò)程如下:該系統(tǒng)把一 些帶有ZigBee 協(xié)議的芯片模塊與傳感器集成，然后把此芯片嵌入到終端電表數(shù)據(jù)采集，把 它作為網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到電表中某些信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，它能觸發(fā)節(jié)點(diǎn)芯片產(chǎn) 生中斷，從而激活節(jié)點(diǎn)芯片，芯片會(huì)自動(dòng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集程序，當(dāng)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，它通過(guò)無(wú) 線收發(fā)模塊，把處理好的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。中間的協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)， 它可以通過(guò)發(fā)廣播方式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的管理，還可以通過(guò)收發(fā)模塊把多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集處理， 可以通過(guò)無(wú)線路由中轉(zhuǎn)與PC 聯(lián)網(wǎng)，這樣就可以把電表數(shù)據(jù)的信息發(fā)送到遠(yuǎn)端進(jìn)行處理，同 時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　以 ARMs3C2410 為控制核心，帶有鍵盤、顯示屏、大容量?jī)?nèi)存及與電腦連接的通訊端 口，它具有兩個(gè)方向上的對(duì)外接口:向上與抄表控制中心的GPRs/GSM 接口、向下與Zigbee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊的接口。抄表控制器還具有顯示、打印等功能，用戶可以利用基站所帶的微型 打印機(jī)接口，連接打印機(jī)后將接收的用戶數(shù)據(jù)信息進(jìn)行打印。顯示模塊則可以提供操作菜單， 方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、抄表時(shí)間的顯示、用電費(fèi)用查詢等功能。其主要組成部分包括嵌入 式MCU(53C2410)、USB 接口、液晶顯示器、串口通信口、Flash 程序控制器、SDRAM 靜 態(tài)存儲(chǔ)器、調(diào)試端口、復(fù)位、鍵盤等。其中嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件的核心。

　　各部分功能如下:

　　1.FLASH 閃存用來(lái)存放操作系統(tǒng)、系統(tǒng)引導(dǎo)程序和其它在系統(tǒng)掉電后需要保 存的用戶數(shù)據(jù)。

　　2.SDRAM 主要用來(lái)存放執(zhí)行代碼和變量，是系統(tǒng)啟動(dòng)之后主要進(jìn)行存取操作 的存儲(chǔ)器，具有容量大、存取速度快、成本低的特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用到微機(jī)處理 系統(tǒng)中。

　　3.復(fù)位電路可完成系統(tǒng)上電復(fù)位和在系統(tǒng)工作時(shí)用戶按鍵復(fù)位。

　　4.RS232 串行接口[3]電路用于s3C2410 系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的短距離雙向串行通信。

　　5.USB 接口是通用串行總線，分為 USBHOST 和DEVICE 兩個(gè)接口。用于現(xiàn)場(chǎng) 數(shù)據(jù)提取。

　　6.RS485 用于總線與現(xiàn)場(chǎng)儀表接口。

　　7.LCD 接口:53C2410 內(nèi)部有LCD 控制器可以支持STN 和TFT 屏，用于顯示。

　　8.JTAG 接口為聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組 (JointTestAetionGroup)，借助邊界掃描的 方式對(duì)芯片內(nèi)部部件進(jìn)行訪問(wèn)，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、編程等。

　　9.GSM/GPRS 模塊及相關(guān)電路:GSM/GPRS 模塊是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，完成 抄表集中器GSM 的數(shù)據(jù)通道是TTL 電平，和ARMS3C2410 的串行口兼容，可直接連 接。對(duì)于SIM 卡的安裝，可內(nèi)嵌到GSM 轉(zhuǎn)換電路板上。

　　10.電源電路為SV 到3.3V 的DC 一DC 轉(zhuǎn)換器，給s3C2410 及其他需要3.3V 電源的 外圍電路供電。

　　H.有源晶振電路為系統(tǒng)提供工作時(shí)間，通過(guò)片內(nèi)PLL 電路倍頻為50MHZ 作為微處理器的工作時(shí)間。

　　3.1 微處理器模塊

　　微處理器模塊[4]負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理操作、路由協(xié)議、功耗管理、任務(wù)管理等， 最主要的是需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全可靠的通信協(xié)議；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通 信，交換控制消息和收發(fā)數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)微處理器使用德州儀器（TI）的CC2410，它是用于2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBee 的片上系統(tǒng)解決方案。CC2410 內(nèi)部整合了IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz 的RF 無(wú)線電收發(fā)機(jī)、內(nèi)存和微控制器。它使用一個(gè)八位MCU（8051），既有128KB 的可編程閃存和8KB 的RAM，還包含ADC、定時(shí)器、AES-128 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí) 器、掉電檢測(cè)電路等。微處理器全速工作時(shí)（32MHz），在接收和發(fā)射模式下，電流損耗約 為27mA。CC2410 的休眠模式及其從休眠模式轉(zhuǎn)換到工作模式的超短時(shí)間（在微秒級(jí)）， 特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。CC2410 有21 個(gè)可編程的I/O 口引腳，如圖6 所 示，P0、P1 口是完全的8 位口，P2 口只有5 個(gè)可使用的位。通過(guò)軟件設(shè)定一組SFR 寄存器 的位和字節(jié)，可使這些引腳作為通常的I/O 口或作為連接ADC、計(jì)時(shí)器或USART 部件的外 圍設(shè)備I/O 口使用。