基于ZigBee技术的无线抄表系统设计

■四川大学电子信息学院何毅王勇蒋鸿宇　基于ＺｉｇＢｅｅ技术的无线抄表系统设计　摘　要：本文提出了一种基于ＺｉｇＢｅｅ技术的无线抄表系统的设计方案。该方案借助ＺｉｇＢｅｅ技术在低速率无线　通信方面的优势，利用Ｃｈｉｐｃｏｎ公司的射频芯片ＣＣ２４２０，实现采集的电能数据的无线收发通信。　关键词：ＺｉｇＢｅｅ；ＣＣ２４２０；ＡＤＥ７７５３　电能计量　引言　系统硬件结构　发到目标终端设备。　与采用有线网络通信的楼控产　无线抄表系统是由多个ＺｉｇＢｅｅ　本文没讣（ｇ，ＪＺｉｇＢｅｅ　市点是星型　品相比，无线解决方案的优势在于　节点所构成的网络。ＺｉｇＢｅｅ技术支　结构中最简单的双节点『积］络，日ｌＪｒ九　安装市置的灵活性、低廉的安装费　持３种网络拓扑结构，即星形（Ｓｔａｒ）、　一个协调器节点和一个ＲＦＤ节点组　用和对楼宇自动化系统进行重新布　网状（Ｍｅ　ｓｈ）和树形分簇（Ｃ１Ｕ　Ｓｔｅｒ　成。其中，ＺｉｇＢｅｅ每个节点的硬件　置的可移动性　ＺｉｇＢｅｅ技术产品以　Ｔｒｅｅ）。星型结构由一个协凋器节点　均由两部分构成：电能测量与处理　其低功耗、低成本以及优秀的组网　（主设备）和一个或多个终端设备　部分和无线接收／发送部分。　硬件　能力，被广泛认为将在未来几年中　（从设备）组成。协惆器是一种特殊　具体实现的功能则由烧写入单片机　对楼宇自动化和工业产生重大的影　的全功能设备（Ｆｕｌ】Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ，　的程序来决定。无线抄表系统的硬　响。本文研究的远程抄表系统就摹　ＦＦＤ）。ＦＦＤ是具有转发与路由能力　件结构如网１所示。　于ＺｉｇＢｅｅ技术实现了无线自动抄表　的节点。终端设备可以是ＦＦＤ或简　电能测量与处理模块的　功能。　化功能设备（ＲｅｄｕＣｅｄ　ＦＵｎｃｔｉＯｎ　工作原理　Ｄｅｖｉｃｅ，ＲＦＤ）。ＲＦＤ是最小且最简　电能数据采集模块的核心是美　单的ＺｉｇＢｅ．ｅ节　同ＡＤＩ公司的・歉高精度单相有功　点，只发送与接　电能计量芯片ＡＤＥ７７５３。该芯，　集　收信号，并不起　成了数字积分、参考电压源和温度　转发器、路由器　传感器。它提供，一个和有功能量　的作用。如果某　成比例的脉冲输出（ｃＦ）和数字系统　个终端设备需　校准误差电路（通道偏置校准、相位　要传输数据到　校准及能量校准）。该　片适用于单　另一个终端设　相电路中有功功率、无功功率和视　备，它会把数据　在功率的测量。　发送给协调器，　ＡＤＥ７７５３有电流和电压两个通　然后由协调器　道，共两路模拟量输入，分别是电　依次将数据转　流通道Ｖ　Ｖ。　和电压通道Ｖ　、　ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｓ辔ｎ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｗｏｒｌｄ．ＮｉｋｋｅｉＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｃｈｉｎａ　，　、１　－　，　　：Ｔ　…　、，　，　　Ｌ　、Ｊ　。　Ｌ　ｈ维普资讯 http://www.cqvip.com

ｒ　一　■　ｔｌ　．　．　一　一　０　∥　一　乞，＿５　ｔ　＿ｌ＿　．．无线收发　过低通滤波和上变频的混频后被调　４ＧＨｚ，并经放大后送到天线　模块的工作原　制到２．理　发射　去。　无线收发　模块主要由　ＣＣ２４２０芯片　系统软件设计　Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ的ＺｉｇＢｅｅ协议栈　完整的ＺｉｇＢｅｅ协议栈自上而下　和２．４ＧＨｚ射　季、　●　Ｊ　萎鐾　暑　频天线以及相　应的阻抗匹配　电路组成。芯　片外围电路包　括晶振时钟电　路、射频输入　／输出匹配电　路和单”机接　口电路三个部　分。本设计采　用１　６ＭＨＺ尢　Ｖ，　。电压信号经可编程放大器　源晶振，其负载电容值约为２２ｐＦ。　（ＰＧＡ）放大和模数转换器进行Ａ／Ｄ　射频输入／输出匹配电路卞安用来　转换变为数字信号，然后，电流信　匹配芯片的射频输入／输　阻抗，使　号经电流通道内的高通滤波器ＨＰＦ　其输入／输　阻抗为５０　Ｑ，同时为芯　滤除ＤＣ分量并数字积分后，与经相　片内部的功率放大器和低噪声放大　位校正后的电　信号相乘，产生瞬　器提供直流偏置。ＣＣ２４２０通过４线　时功率；此信号经低通滤波ＬＰＦ２产　ＳＰＩ口（ＳＩ、ＳＯ、ＳＣＬＫ、ＣＳｎ）设置　生瞬时有功功率信号。利用功率偏　芯片的Ｔ作模式，并实现读／写缓存　差校准寄存器的值对有功功率进行　数据和读／写状态寄存器。　校准，放人采样波形数据寄存器・ｆＩ，　从天线接收到的射频信号首先　然后对采样波形数据寄存器的值进　经过低噪声放人器和正交下变频到　行累加，籽功率累加值（电能值）存　２　ＭＨｚ的中频信号，此混合Ｉ，Ｑ信　放在电能寄存器中，经Ｄ　引脚输　号经过滤波、放大，再通过ＡＤＣ转　出。　变成数字信号　后经自动增益控　电流和电压采集电路把交流电　制、数字解训和解扩，最终恢复出　变为可供ＡＤＥ７７５３输入的电压。在　传输的止确数据。发射机部分采用　电流通道中，通过ｄｉ／ｄｔ微分电流传　直接上变频。待发送的数据先被送　感器实现电流／电压变换。ｄｉ／ｄｔ微分　入１２８宁节的发送缓存器中，头帧　电流传感器基］　Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈原　和起始帧足通过硬件自动产生的。　理。Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈由环绕一根长直　根据ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准，所要发送　导线排列、匝数为Ｎ的矩形空芯线　的数据流的每４个比特被３２码片的　圈组成。　扩频序列扩频后送到ＤＡＣ。然后，经　２００６．１２电子设计应用ｗｗｗ．ｅａｗ．ｃｏｍ．ｃ以　由应用层、应用汇聚层、网络层、数　据链路层和物理层组成。本硬件设　计选择的是Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的ＰＩＣＩ８　系列单片机，阏此在软件设计中应　用了Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司提供的ＺｉｇＢｅｅ　协议栈。它随着ＺｉｇＢｅｅ无线协议规　范的发展而不断更新。该协议栈有　Ｉ卜特点：使用支持２．４　ＧＨｚ频带　的Ｃｈｉｐｃｏｎ　ＣＣ２４２０　ＲＦ收发器；支　持简化功能没备和协调器；在协调　器节点中实现对邻接表和绑定表的　非易失性存储；支持非时隙的星型　络；可以在人多数ＰＩＣ　系列单　片机之间进行移植｛支持Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ　ＭＰＬＡＢ　Ｃ１　８９１Ｈｉ—ＴｅｃｈＰＩＣＣ一１　８Ｃ编　译器；易于添加或删除特定模块的　模块化设计。　ＲＦＤ节点软件设计流程　这里以ＲＦＤ节点为例，阐述　ＲＦＤ节点加入由协调器节点组建的　网络的设计思想及程序流程。　２　是ＲＦＤ节点主应用程序设计的流程　框图。其主要功能足实现硬件的初　始化，并根据用户指令进入配置模　式来先成绑定操作。绑定的目的是　止ＲＦＤ的地址信息出现存协调器的　绑定表中，从而使ＲＦＤ　与协调　器关联起来。对于第一次完成烧写　程序的节点，必须接入训’算机终　端，按照流程进行配置和绑定操　作；对于已经完成绑定操作的节　点，存进行下一次操作时，可以无　需计算机而进行脱机操作。　维普资讯 http://www.cqvip.com

、ｌ＇一一　一　一　｝ｌ０｜ｌ～～　．　■　０．～．　．。　｝　５＇一　、０ｒ　００　■，　一个ＲＦＤ节点从自身配置、绑　协调器节点组建的网络；正常启动　结语　定完成到加入由协调器组建的网　等　待　状　态　基于ＺｉｇＢｅｅ技术的无线抄表系　络，然后进入ｌＥ常工作模式，要经　（ＳＭ＿ＡＰＰ＿ＮＯＲＭＡＬ　ＳＴＡＲＴ＿ＷＡＩＴ），　统不仅能节约人力成本，还可提高　历不同的状态。根据ＺｉｇＢｅｅ协议栈　ＲＦＤ节点在尝试加入　络的过程　抄表的准确性、实时性，使管理部　的要求，在主应用程序中定义了６　中，要经过新网络初始化、网络初　门能及时准确地获得数据信息。■　种工作状态。初始化状态　始化是否完成、网络初始化是否成　（ＳＭ—ＡＰＰ　ＩＮＩＴ），即节点进行任何　功等问答和回应过程，正常工作状　参考文献：　操作前的最初状态；配置状态　态（ＳＭ—ＡＰＰ—ＮＯＲＭＡＬ—ＲＵＮ）下，　１白剑波等．ＺｉｇＢｅｅ技术及其　（ＳＭ—ＡＰＰ　ＣＯＮＦＩＧ—ＳＴＡＲＴ），日ｆＪ让　节点能够最终进入正常工作状态才　在楼宇自动化系统中应用的思考　节点进入配置模式的状态，主要通　能完成节点的绑定操作；休眠状态　【Ｊ】．智能建筑与城市信息　过调用配置函数引导用户完成配置　（ＳＭ—ＡＰＰ—ＳＬＥＥＰ）下，ＺｉｇＢｅｅ节点　，２００６（１）：１０２　１０４　操作；　正常启动状态　节能的关键就是能够实现在休眠状　２刘和平等．ＰＩＣ１８Ｆｘｘｘ单片机　（ＳＭ—ＡＰＰ—ＮＯＲＭＡＬ　ＳＴＡＲＴ），当　态和止常工作状态问的切换，当工　程序设计及应用【Ｍ】．北京：北京航　已经配置过的节点再次使用时，无　作任务完成后能够自动进入休眠状　空航天大学出版社，２００５　须再次进行节点配置，则直接进入　态，而当受到触发后能够自动进入　正常启动状态，并！尝试加入一个由　正常工作状态。　澎毒　群淳磐糖　２Ｉ０：０　ｆＩ　６：“　同时壤冬闻的定时　＿异步遗ｌ髂　　－作　ｒ在　、母的堆一钱博帝　ｒ通道　增强了ＬａｂＶＩＥＷ￣网形化性　北京中科泛华测控技术有限，＾＼司也　能，咒其在描述多目标的分布武应　．　。携冀全线ｌ产品参加了ＮＩＤａｙｓ　２００６，　铬　用的时候　这一连躐是代表系禽乞设－　包括ＬａｂＶｉ■　ｔ　ｅｗ、ＳＣＸＩ，ｐｘＩ　数据　计的ｌ　要组件。　－　一－　模块化处理、并行测试数据缝理　一　ｌｌ、　除了正在进行开发的项目外，　故障诊断、测试环境仿真等方面的　珏　ｌｌｌ｛鬻～　ＮＩ也在致力于一系列的研究工作　各种解决方案　连华飒Ｉ　．】控钳　鄙馒　Ⅶ　、：毫　：一　…　脚　００６　专　回　丁　其中扰包｛蠹＿＿－个抟府？白Ｉ劝程序撼　零葛飙拳帚：“，＾＼　司谯　霉总巍蠢统　、　一　图验证”的项目。如果最终能将正　技术和工程项目方面形成了自已的　：　：二：　ｎ　、　＿Ｉ＿：艺　、　：：　～。　ｊ：　　ｔ睁０晖　酶在　Ｉ‘淡瓣｜ｌ一札　蠢诵　越　姆　时求和盼触　　－　确性证明（ｃ￣ｒｒｅｃ　虚拟议器韫序据　户。就可以通过名　结构、用正确性断￣（ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　功。公司在测控软件开发平台、　ａｓｓｅｒｔｉｏｎ）来评注他的程序框图，就　０Ｐｍ　产品、数据采集及信号调理　＿＿　。０　三≤　像普通的程序框图一样，定理模块　产品、ＶⅪ总线系统、ＰＸｉ总线系　、　２００６．１２电手设计应用ｗｗｗ．ｅａｗ．ｃｏｍ．ｃｎ