基于Zigbee的嵌入式自動抄表系統(tǒng)的研究

　　1 概述

　　自動抄表系統(tǒng)[1]是一種不需要人工到現(xiàn)場就能完成抄錄用戶電表數(shù)據(jù)的自動化管理系 統(tǒng)。 ZigBee 技術是近幾年興起的一種面向自動化和無線控制的雙向無線通信技術。它具有 [2]近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低復雜度、低成本的特點，而且網(wǎng)絡容量大、時延短、安 全、可靠。正是以上優(yōu)點使ZigBee 技術為自動抄表系統(tǒng)的發(fā)展提供了更好的選擇。采用 ZigBee 無線網(wǎng)絡協(xié)議，利用免費頻段進行通訊，協(xié)同監(jiān)測各用戶用電情況，動態(tài)組網(wǎng)、自 主路由的通訊，都是自動抄表領域的研究熱點。

　　2 zigbee 自動抄表總體設計方案

　　本系統(tǒng)結構主要分為三層:終端節(jié)點、基站、控制中心。系統(tǒng)工作過程如下: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)絡的一個節(jié)點。當傳感器監(jiān)測到電表中某些信號發(fā)生變化時，它能觸發(fā)節(jié)點芯片產 生中斷，從而激活節(jié)點芯片，芯片會自動進入數(shù)據(jù)采集程序，當數(shù)據(jù)采集結束后，它通過無 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)調器負責網(wǎng)絡的管理以及數(shù)據(jù)的轉發(fā)， 它可以通過發(fā)廣播方式進行節(jié)點的管理，還可以通過收發(fā)模塊把多個節(jié)點的數(shù)據(jù)收集處理， 可以通過無線路由中轉與PC 聯(lián)網(wǎng)，這樣就可以把電表數(shù)據(jù)的信息發(fā)送到遠端進行處理，同 時對設備進行遠程控制。

　　3 硬件設計

　　以 ARMs3C2410 為控制核心，帶有鍵盤、顯示屏、大容量內存及與電腦連接的通訊端 口，它具有兩個方向上的對外接口:向上與抄表控制中心的GPRs/GSM 接口、向下與Zigbee 無線網(wǎng)絡通訊的接口。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 打印機接口，連接打印機后將接收的用戶數(shù)據(jù)信息進行打印。顯示模塊則可以提供操作菜單， 方便用戶進行數(shù)據(jù)查詢、抄表時間的顯示、用電費用查詢等功能。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)存儲器、調試端口、復位、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 閃存用來存放操作系統(tǒng)、系統(tǒng)引導程序和其它在系統(tǒng)掉電后需要保 存的用戶數(shù)據(jù)。

　　2.SDRAM 主要用來存放執(zhí)行代碼和變量，是系統(tǒng)啟動之后主要進行存取操作 的存儲器，具有容量大、存取速度快、成本低的特點，因而廣泛應用到微機處理 系統(tǒng)中。

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

　　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 兩個接口。用于現(xiàn)場 數(shù)據(jù)提取。

　　6.RS485 用于總線與現(xiàn)場儀表接口。

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

　　8.JTAG 接口為聯(lián)合測試行動小組 (JointTestAetionGroup)，借助邊界掃描的 方式對芯片內部部件進行訪問，可對系統(tǒng)進行調試、編程等。

　　9.GSM/GPRS 模塊及相關電路:GSM/GPRS 模塊是遠程數(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。對于SIM 卡的安裝，可內嵌到GSM 轉換電路板上。

　　10.電源電路為SV 到3.3V 的DC 一DC 轉換器，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)提供工作時間，通過片內PLL 電路倍頻為50MHZ 作為微處理器的工作時間。

　　3.1 微處理器模塊

　　微處理器模塊[4]負責控制整個節(jié)點的數(shù)據(jù)處理操作、路由協(xié)議、功耗管理、任務管理等， 最主要的是需要實現(xiàn)網(wǎng)絡安全可靠的通信協(xié)議；無線通信模塊負責與其他節(jié)點進行無線通 信，交換控制消息和收發(fā)數(shù)據(jù)。節(jié)點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 內部整合了IEEE 802.15.4 標準的2.4 GHz 的RF 無線電收發(fā)機、內存和微控制器。它使用一個八位MCU（8051），既有128KB 的可編程閃存和8KB 的RAM，還包含ADC、定時器、AES-128 協(xié)同處理器、看門狗定時 器、掉電檢測電路等。微處理器全速工作時（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換到工作模式的超短時間（在微秒級）， 特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。CC2410 有21 個可編程的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 個可使用的位。通過軟件設定一組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、計時器或USART 部件的外 圍設備I/O 口使用。