基于ZigBee 技術的無線抄表系統(tǒng)設計與應用

1 引言
現階段，無線技術正飛速地進入許多應用領域，與有線設備相比其具有成本低、攜帶方便、無需布線等優(yōu)點，特別適用于手持設備的通信、電池供電設備、遙控、遙測、小型無線網絡、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數據采集系統(tǒng)、用戶識別、信號采集、水文氣象監(jiān)控、無線數字語音、數字圖像傳輸等系統(tǒng)的應用。
2 系統(tǒng)方案設計
(1) 系統(tǒng)整體設計
整個系統(tǒng)按照運行流程可分成三部分：終端設備（多個）、手持式采集設備（一個）、數據MIS 系統(tǒng)。終端設備是采集氣量數據的集成設備，它負責對氣量的數據進行采集和控制，同時可通過無線網絡傳輸給手持式采集設備；手持式采集設備是通過無線通道對終端設備的數據進行下載和控制的設備；數據MIS系統(tǒng)是將手持式設備中的采集數據下載后對其進行管理的軟件系統(tǒng)。

(2) 終端設備
在用戶端氣表加裝通訊模塊形成終端設備，實現數據的讀取和無線傳輸。
(3) 手持式采集設備配置
MPU：PHILIPS P89LV51RD2，低功耗芯片；
EEPROM：24AA512（64K）用以存放所采集的數據；
LCD：MOBI2006 薄型液晶LCD；
鍵盤：設置4 個功能鍵，分別為：上、下、確認、背光；
RS-232C 接口芯片：MAX232；
無線模塊：IP?Link1000-B；
(4) 數據庫MIS系統(tǒng)
其主要功能包括與手持式采集設備進行數據交換并存儲，對數據進行格式化加工，對數據進行通用管理（添加、刪除、修改、查詢等）以及根據客戶需求打印各種報表。
3 系統(tǒng)硬件結構及連接圖
手持設備的硬件連接如圖2 所示，元件主要包括微控制芯片、片外存儲器、多路復用器CD4052、無線模塊IP?Link1000-B、串口電平轉換芯片MAX232、鍵盤和LED 顯示屏。

微控制芯片通過并口連接鍵盤和LED 顯示屏，片外存儲器EEPROM采用I2C模擬總線方式連接，上位機和下位機通訊采用RS-232C 方式，需使用MAX232 芯片進行電平轉換，另因無線模塊與上下位機通訊都通過通用串行口，所以要進行串行口擴展，采用多路復用開關CD4052。
(1) 數據幀定義
數據幀是數據傳輸協議中數據的規(guī)范格式，數據幀結構的定義如表1 所示。

注：Lead 為幀標識（幀頭）、Command 為命令字、Length 為數據長度、Load 為數據、Checksum為CRC校驗碼
(2) 傳輸協議
上位機—下位機采用S-232 串行數據傳輸，串行口通信方式為異步串行通信，信息格式為1 個開始位、8 位數據位、1個停止位、無奇偶校驗位，數據傳輸采用“停止—等待”協議。
數據發(fā)送：發(fā)送方將欲發(fā)送的數據先進行幀格式定義，先對數據串（命令字＋數據長度＋數據）進行循環(huán)冗余校驗（CRC-16 ），形成兩個字節(jié)的校驗碼，在數據串前添加幀標識，然后附上所得的校驗碼，形成數據幀后進行發(fā)送，并等待返回信息。
數據接收：接收方在接收數據幀時，先判斷幀標識，若錯誤，丟棄當前幀并向數據源發(fā)重傳命令；如果正確，接收“命令”字節(jié)和“數據長度”字節(jié)并判斷數據長度，超出數據長度時停止接收數據并發(fā)重傳命令，長度合乎要求時才進行后面數據的接收，以上每個字節(jié)接收過程都包含超時判斷，如果超時要求數據重發(fā)。數據接收完畢后進行循環(huán)冗余校驗，將生成的校驗碼與接收到的校驗碼比較，相同則通過校驗，數據幀正確，然后進行命令字節(jié)判斷并對數據進行處理；若未通過校驗，接收方發(fā)重傳命令至發(fā)送方，要求重新傳輸該幀數據。
發(fā)送端A在啟動發(fā)送后等待返回信息，接收端B接收并校驗數據后進行信息回復，包括正確報告或錯誤報告信息，發(fā)送端A 在接收到接收端B 的反饋信息后，作出相應的判斷動作。另外，在得到錯誤報告信息或在規(guī)定時間內沒有接收到反饋信息時，發(fā)送端A重新發(fā)送當前數據幀，并且記錄重發(fā)次數。當重發(fā)次數超過給定值N 時，停止發(fā)送，并報出錯信息。
4.2 下位機與上位機的通信
下位機（手持設備）與上位機（計算機）通信采用RS-232C 串口通信，上位機對所接收的數據進行CRC 檢驗判斷，校驗未通過，要求重傳，校驗通過，數據存儲至數據庫。上位機利用Visual Basic 6.0中的通信控件MSComm開發(fā)串行通訊程序。MSComm 控件提供兩種處理通信的方式：事件驅動方式和查詢方式。事件驅動方式由MSC omm 控件的onComm事件捕獲并處理通信事件和錯誤，其優(yōu)點是程序相應及時、可靠性高；查詢方式是通過檢查commEvent屬性的值來判斷事件和錯誤，適合于應用程序較小的情況。
(1) 控件屬性：包括串口初始化屬性設置、數據讀寫操作、狀態(tài)控制、打開/ 關閉串口。
(2) 串口初始化屬性設置
下面結合初始化程序的實例來說明屬性的設置：
MSComm. CommPort = 2 設置通信端口號；
MSComm. Settings =“1200, M, 8, 1” 設置波特率為12 00 ，奇偶校驗為標記，8 位數據位，1 位停止位；
MSComm. InputLen = 0 讀取接收緩沖區(qū)的全部代碼；
MSComm. InputMode = comInputModeBinary 接收的數據格式為二進制數據；
MSComm. InBufferSize = 100 設置接收緩沖區(qū)大小為100字節(jié)；
MSComm. OutBufferSize = 10 設置發(fā)送緩沖區(qū)的大小為10字節(jié)；
MSComm. OutBufferCount = 0 清除發(fā)送緩沖區(qū)；
MSComm. InBufferCount = 0 清除接收緩沖區(qū)；
MSComm. PortOpen = True 打開串口（關閉端口時值為f a l s e ）；
(3) 數據讀寫操作
Output 屬性：向發(fā)送緩沖區(qū)寫數據流，為Variant 型變量。Output 屬性可以傳輸文本數據或二進制數據，用Output 屬性傳輸文本數據，須定義一個包含一個字符串的Variant。發(fā)送二進制數據，則須傳遞一個包含字節(jié)數組的Variant 到Output屬性。以下是上位機向下位機發(fā)確認信號(ACK)的實例。
定義sendata 為Variant，發(fā)送Output 的值，right()為Byte數據，存放要發(fā)送的二進制數據：
Dim sendata As Variant
Dim right(1) As Byte
right (0) = H5E
sendata = right 二進制數據變?yōu)閂ariant 格式
MSComm. InBufferCount = 0 接收緩沖區(qū)清空
MSComm. Output = sendata 發(fā)送二進制數據
Inp ut 屬性：將接收緩沖區(qū)中收到的數據讀入變量，為Variant 型變量。當InputMode 屬性值為0 （文本模式）時，變量中含String 型數據，當InputMode 屬性值為1（二進制模式）時，變量中含B y t e 型數組數據。
InputLen 屬性：確定被Input 屬性讀取的字符數。設置InputLen 為0，則讀取緩沖區(qū)中全部的內容。若接收緩沖區(qū)中In putLen 字符無效，In put 屬性返回一個零長度字符串（“”）。在使用Input 前，用戶可以選擇檢查InBufferCount 屬性來確定緩沖區(qū)中是否已有需要數目的字符。
InBufferCount屬性：返回接收緩沖區(qū)中已傳到但還未取走的字符個數，In teg er 型。設為0 ，則清空緩沖區(qū)。
OutBufferCount 屬性：類似于InBufferCount 屬性，為發(fā)送緩沖區(qū)中已傳到但還未取走的字符個數，Integer 型。設為0 ，則清空緩沖區(qū)。
5 數據的循環(huán)冗余校驗
在數據的無線傳輸過程中，因為噪聲的干擾數據極易出錯，因此在傳輸時必須采用可靠的數據校驗方法。數據校驗方法包括奇偶校驗，循環(huán)甬余校驗等多種校驗方法，普遍采用循環(huán)甬余校驗方法（CRC），它能有效地檢測出傳輸數據的錯誤。CRC 的全稱為Cyclic Redundancy Check，它是一類重要的線性分組碼，編碼和解碼方法簡單，檢錯和糾錯能力強，在通信領域廣泛地用于實現差錯控制。
CRC 校驗的基本思想是利用線性編碼理論，在發(fā)送端根據要傳送的k 位二進制碼序列，以一定的規(guī)則產生一個校驗用的監(jiān)督碼（即CRC 碼）r 位，并附在信息后邊，構成一個新的二進制碼序列數共（k ＋ r ）位，最后發(fā)送出去。在接收端，根據信息碼和CRC 碼之間所遵循的規(guī)則進行檢驗，以確定傳送中是否出錯。
例如，16 位的CRC 碼產生的規(guī)則是先將要發(fā)送的二進制序列數左移16 位后，再除以一個多項式，最后所得到的余即是CRC 碼，其中B(X)表示n 位的二進制序列數，G(X)為多項式，Q(X)為整數，R(X)是余數（既CRC 碼）。

求CRC 碼采用模2 加減運算法則，即是不帶進位和借位的按位加減，這種加減運算實際上就是邏輯上的異或運算，加法和減法等價，乘法和除法運算與普通代數式的乘除法運算是一樣，符合同樣的規(guī)律。生成CRC碼的多項式如下，其中CRC-16 和CRC-CCITT 產生16 位的CRC 碼，而CRC-32 則產生的是32 位的CRC 碼。
CRC-16：（美國標準） G(X)=X16+X15+X2+1
CRC-CCITT：（歐洲標準） G(X)=X16+X12+X5+1
C R C - 3 2 ：G (X ) =X 3 2 +X 2 6 +X 2 3 +X 2 2+ X 1 6+ X 1 2+X11+X10+X8+X7+X5+ X4+X2+X1+1
下面以CRC-16 為例：
數據以字節(jié)為單位，待傳送的數據排隊，運算區(qū)先存放兩個字節(jié)的數據，緩沖區(qū)為一個字節(jié)，第三個字節(jié)的數據放在緩沖區(qū)內，運算區(qū)的數據按位運算，最左邊為標志位，標志位左移，緩沖區(qū)內的數據也左移一位（運算區(qū)內為新的16位數據），標志位與CRC-1 6 多項式的最高位系數（總為1）比較，標志位為1 則運算區(qū)內的數據位與多項式的后十六位“異或”運算，為零則不運算。然后下一位左移，過程同上，直至緩沖區(qū)內的八位數據全傳輸至運算區(qū)內為止。這時第三個字節(jié)的數據運算完畢，將第四個字節(jié)的數據存入緩沖區(qū)，運算方法同上。
待數據串運算完畢后，后面附加16 個零進行運算，數據完全運算完成后，運算區(qū)的兩個字節(jié)的數據就是生成的CRC校驗碼。將CRC 校驗位附在信息碼后作為循環(huán)碼發(fā)送。
以上是CRC 校驗碼的產生過程。
接收方在接收到數據（循環(huán)碼= 數據串+ 校驗位）后，再進行CRC 校驗，最后產生的運算區(qū)內的數據就是待校驗的余數，余數為零則表示接受的數據串正確，否則為錯。
CR C 碼以模二除法得到余數，具體實現方法是用“異或”運算實現。單片機CRC 檢驗子程序如下：
CRC_CHECK:
MOV R3, #00H ；存儲CRC碼高位
MOV R4, #00H ；存儲CRC碼低位
CRC0: MOV A, R3
XRL A, @R0 ；R0 為初始值地址
MOV R3, A
MOV R7, #08H ；8 次比較
CRC1: MOV A, R4
CLR C ；進位標志清零
RLC A
MOV R4, A
MOV A, R3
RLC A
MOV R3, A
JNC CRC2
XRL A, #80H ；高字節(jié)異或運算
MOV R3, A
MOV A, R4
XRL A, #05H ；低字節(jié)異或運算
MOV R4, A
CRC2: DJNZ R7, CRC1
INC R0 ；取下一校驗字節(jié)數據
DJNZ R6, CRC0 ；R6 為欲校驗數據串的長度
RET
6 無線模塊特征說明
本系統(tǒng)的無線數據傳輸是基于IEEE802.15.4協議的ZigBee技術。IEEE 802.15.4無線數據傳輸協議標準主要規(guī)定了一種短距離、低功耗、低速率、低價位、高效率、高可靠性的短程無線網絡標準。遵循這一標準的技術被稱作ZigBee 技術。ZigBee 技術是一種低速率無線傳輸技術，采用直序擴頻(DS S S ) 技術來提高抗干擾能力，工作頻率為8 6 8MHz 、915MHz 或2.4GHz，其中2.4GHz 是一個開放的頻率。該技術的突出特點是應用簡單，電池壽命長，有組網能力，可靠性高以及成本低。
在ZigBee 的七層協議中，IEEE802.15.4 只定義了PHY和MAC 層，實體層（PHY）規(guī)范確定了在2.4GHz 以250Kbps的基準傳輸率工作的低功耗展頻無線電（另有一些以更低數據傳播率工作的915 MHz 和868 MHz 的實體層規(guī)范），介質訪問層（MAC）規(guī)范定義了在同一區(qū)域工作的多個802.15.4無線電信號如何共享空中通道。ZigBee兼容性平臺則在IEEE802.15.4 的基礎上包含了網絡與安全層、以及應用開發(fā)框架(Application Framework)的定義。ZigBee 技術主要工作在無須注冊的2.4GHz ISM頻段，數據速率為20～250Kbit/s，最大傳輸范圍在10～75m，典型距離為30m。
系統(tǒng)中無線模塊采用兼容IEEE 802.15.4 協議的赫立訊IP?Link1000-B 無線網絡收發(fā)模塊，組網形式為星型網絡。模塊的工作狀態(tài)由外部設備控制，外部設備通過模塊的UART0接口，采用AT命令或數據幀結構的形式對IP?Link1000-B模塊進行配置和操作。
無線模塊在使用前先進行參數配置，包括對UART0 的波特率，模塊的網絡節(jié)點，節(jié)點號等參數進行設置，配置結果保存于模塊內部非易失性存儲器中，然后模塊進入數據狀態(tài)，準備數據的傳輸。無線模塊在使用中先處于休眠狀態(tài)，在外部命令作用下進入活動模式，數據傳輸成功后又回到休眠狀態(tài)。
文中的無線硬件設計、軟件設計解決方案經測試運行穩(wěn)定，無線通信誤碼率低、可靠性高、安全性好。文中的軟硬件設計方案，可適用于各種單片機，并且作為無線通信技術在相關領域的推廣和廣泛的運用有著較好的參考價值。