基于ZigBee 技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1 引言
現(xiàn)階段，無線技術(shù)正飛速地進(jìn)入許多應(yīng)用領(lǐng)域，與有線設(shè)備相比其具有成本低、攜帶方便、無需布線等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于手持設(shè)備的通信、電池供電設(shè)備、遙控、遙測(cè)、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、用戶識(shí)別、信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、無線數(shù)字語音、數(shù)字圖像傳輸?shù)认到y(tǒng)的應(yīng)用。
2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
(1) 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)按照運(yùn)行流程可分成三部分：終端設(shè)備（多個(gè)）、手持式采集設(shè)備（一個(gè)）、數(shù)據(jù)MIS 系統(tǒng)。終端設(shè)備是采集氣量數(shù)據(jù)的集成設(shè)備，它負(fù)責(zé)對(duì)氣量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和控制，同時(shí)可通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給手持式采集設(shè)備；手持式采集設(shè)備是通過無線通道對(duì)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行下載和控制的設(shè)備；數(shù)據(jù)MIS系統(tǒng)是將手持式設(shè)備中的采集數(shù)據(jù)下載后對(duì)其進(jìn)行管理的軟件系統(tǒng)。

(2) 終端設(shè)備
在用戶端氣表加裝通訊模塊形成終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和無線傳輸。
(3) 手持式采集設(shè)備配置
MPU：PHILIPS P89LV51RD2，低功耗芯片；
EEPROM：24AA512（64K）用以存放所采集的數(shù)據(jù)；
LCD：MOBI2006 薄型液晶LCD；
鍵盤：設(shè)置4 個(gè)功能鍵，分別為：上、下、確認(rèn)、背光；
RS-232C 接口芯片：MAX232；
無線模塊：IP?Link1000-B；
(4) 數(shù)據(jù)庫(kù)MIS系統(tǒng)
其主要功能包括與手持式采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并存儲(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化加工，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行通用管理（添加、刪除、修改、查詢等）以及根據(jù)客戶需求打印各種報(bào)表。
3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及連接圖
手持設(shè)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(chǔ)器、多路復(fù)用器CD4052、無線模塊IP?Link1000-B、串口電平轉(zhuǎn)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(chǔ)器EEPROM采用I2C模擬總線方式連接，上位機(jī)和下位機(jī)通訊采用RS-232C 方式，需使用MAX232 芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，另因無線模塊與上下位機(jī)通訊都通過通用串行口，所以要進(jìn)行串行口擴(kuò)展，采用多路復(fù)用開關(guān)CD4052。
(1) 數(shù)據(jù)幀定義
數(shù)據(jù)幀是數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議中數(shù)據(jù)的規(guī)范格式，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的定義如表1 所示。

注：Lead 為幀標(biāo)識(shí)（幀頭）、Command 為命令字、Length 為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、Load 為數(shù)據(jù)、Checksum為CRC校驗(yàn)碼
(2) 傳輸協(xié)議
上位機(jī)—下位機(jī)采用S-232 串行數(shù)據(jù)傳輸，串行口通信方式為異步串行通信，信息格式為1 個(gè)開始位、8 位數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位、無奇偶校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)傳輸采用“停止—等待”協(xié)議。
數(shù)據(jù)發(fā)送：發(fā)送方將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)先進(jìn)行幀格式定義，先對(duì)數(shù)據(jù)串（命令字＋數(shù)據(jù)長(zhǎng)度＋數(shù)據(jù)）進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC-16 ），形成兩個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)碼，在數(shù)據(jù)串前添加幀標(biāo)識(shí)，然后附上所得的校驗(yàn)碼，形成數(shù)據(jù)幀后進(jìn)行發(fā)送，并等待返回信息。
數(shù)據(jù)接收：接收方在接收數(shù)據(jù)幀時(shí)，先判斷幀標(biāo)識(shí)，若錯(cuò)誤，丟棄當(dāng)前幀并向數(shù)據(jù)源發(fā)重傳命令；如果正確，接收“命令”字節(jié)和“數(shù)據(jù)長(zhǎng)度”字節(jié)并判斷數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，超出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度時(shí)停止接收數(shù)據(jù)并發(fā)重傳命令，長(zhǎng)度合乎要求時(shí)才進(jìn)行后面數(shù)據(jù)的接收，以上每個(gè)字節(jié)接收過程都包含超時(shí)判斷，如果超時(shí)要求數(shù)據(jù)重發(fā)。數(shù)據(jù)接收完畢后進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)，將生成的校驗(yàn)碼與接收到的校驗(yàn)碼比較，相同則通過校驗(yàn)，數(shù)據(jù)幀正確，然后進(jìn)行命令字節(jié)判斷并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；若未通過校驗(yàn)，接收方發(fā)重傳命令至發(fā)送方，要求重新傳輸該幀數(shù)據(jù)。
發(fā)送端A在啟動(dòng)發(fā)送后等待返回信息，接收端B接收并校驗(yàn)數(shù)據(jù)后進(jìn)行信息回復(fù)，包括正確報(bào)告或錯(cuò)誤報(bào)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(yīng)的判斷動(dòng)作。另外，在得到錯(cuò)誤報(bào)告信息或在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有接收到反饋信息時(shí)，發(fā)送端A重新發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，并且記錄重發(fā)次數(shù)。當(dāng)重發(fā)次數(shù)超過給定值N 時(shí)，停止發(fā)送，并報(bào)出錯(cuò)信息。
4.2 下位機(jī)與上位機(jī)的通信
下位機(jī)（手持設(shè)備）與上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）通信采用RS-232C 串口通信，上位機(jī)對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC 檢驗(yàn)判斷，校驗(yàn)未通過，要求重傳，校驗(yàn)通過，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)。上位機(jī)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(qū)動(dòng)方式和查詢方式。事件驅(qū)動(dòng)方式由MSC omm 控件的onComm事件捕獲并處理通信事件和錯(cuò)誤，其優(yōu)點(diǎn)是程序相應(yīng)及時(shí)、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(cuò)誤，適合于應(yīng)用程序較小的情況。
(1) 控件屬性：包括串口初始化屬性設(shè)置、數(shù)據(jù)讀寫操作、狀態(tài)控制、打開/ 關(guān)閉串口。
(2) 串口初始化屬性設(shè)置
下面結(jié)合初始化程序的實(shí)例來說明屬性的設(shè)置：
MSComm. CommPort = 2 設(shè)置通信端口號(hào)；
MSComm. Settings =“1200, M, 8, 1” 設(shè)置波特率為12 00 ，奇偶校驗(yàn)為標(biāo)記，8 位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)格式為二進(jìn)制數(shù)據(jù)；
MSComm. InBufferSize = 100 設(shè)置接收緩沖區(qū)大小為100字節(jié)；
MSComm. OutBufferSize = 10 設(shè)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(guān)閉端口時(shí)值為f a l s e ）；
(3) 數(shù)據(jù)讀寫操作
Output 屬性：向發(fā)送緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)流，為Variant 型變量。Output 屬性可以傳輸文本數(shù)據(jù)或二進(jìn)制數(shù)據(jù)，用Output 屬性傳輸文本數(shù)據(jù)，須定義一個(gè)包含一個(gè)字符串的Variant。發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)，則須傳遞一個(gè)包含字節(jié)數(shù)組的Variant 到Output屬性。以下是上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)確認(rèn)信號(hào)(ACK)的實(shí)例。
定義sendata 為Variant，發(fā)送Output 的值，right()為Byte數(shù)據(jù)，存放要發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)：
Dim sendata As Variant
Dim right(1) As Byte
right (0) = H5E
sendata = right 二進(jìn)制數(shù)據(jù)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(jìn)制數(shù)據(jù)
Inp ut 屬性：將接收緩沖區(qū)中收到的數(shù)據(jù)讀入變量，為Variant 型變量。當(dāng)InputMode 屬性值為0 （文本模式）時(shí)，變量中含String 型數(shù)據(jù)，當(dāng)InputMode 屬性值為1（二進(jìn)制模式）時(shí)，變量中含B y t e 型數(shù)組數(shù)據(jù)。
InputLen 屬性：確定被Input 屬性讀取的字符數(shù)。設(shè)置InputLen 為0，則讀取緩沖區(qū)中全部的內(nèi)容。若接收緩沖區(qū)中In putLen 字符無效，In put 屬性返回一個(gè)零長(zhǎng)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(shù)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(gè)數(shù)，In teg er 型。設(shè)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(gè)數(shù)，Integer 型。設(shè)為0 ，則清空緩沖區(qū)。
5 數(shù)據(jù)的循環(huán)冗余校驗(yàn)
在數(shù)據(jù)的無線傳輸過程中，因?yàn)樵肼暤母蓴_數(shù)據(jù)極易出錯(cuò)，因此在傳輸時(shí)必須采用可靠的數(shù)據(jù)校驗(yàn)方法。數(shù)據(jù)校驗(yàn)方法包括奇偶校驗(yàn)，循環(huán)甬余校驗(yàn)等多種校驗(yàn)方法，普遍采用循環(huán)甬余校驗(yàn)方法（CRC），它能有效地檢測(cè)出傳輸數(shù)據(jù)的錯(cuò)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(jiǎn)單，檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力強(qiáng)，在通信領(lǐng)域廣泛地用于實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制。
CRC 校驗(yàn)的基本思想是利用線性編碼理論，在發(fā)送端根據(jù)要傳送的k 位二進(jìn)制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個(gè)校驗(yàn)用的監(jiān)督碼（即CRC 碼）r 位，并附在信息后邊，構(gòu)成一個(gè)新的二進(jìn)制碼序列數(shù)共（k ＋ r ）位，最后發(fā)送出去。在接收端，根據(jù)信息碼和CRC 碼之間所遵循的規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定傳送中是否出錯(cuò)。
例如，16 位的CRC 碼產(chǎn)生的規(guī)則是先將要發(fā)送的二進(jìn)制序列數(shù)左移16 位后，再除以一個(gè)多項(xiàng)式，最后所得到的余即是CRC 碼，其中B(X)表示n 位的二進(jìn)制序列數(shù)，G(X)為多項(xiàng)式，Q(X)為整數(shù)，R(X)是余數(shù)（既CRC 碼）。

求CRC 碼采用模2 加減運(yùn)算法則，即是不帶進(jìn)位和借位的按位加減，這種加減運(yùn)算實(shí)際上就是邏輯上的異或運(yùn)算，加法和減法等價(jià)，乘法和除法運(yùn)算與普通代數(shù)式的乘除法運(yùn)算是一樣，符合同樣的規(guī)律。生成CRC碼的多項(xiàng)式如下，其中CRC-16 和CRC-CCITT 產(chǎn)生16 位的CRC 碼，而CRC-32 則產(chǎn)生的是32 位的CRC 碼。
CRC-16：（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)） G(X)=X16+X15+X2+1
CRC-CCITT：（歐洲標(biāo)準(zhǔn)） 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(shù)據(jù)以字節(jié)為單位，待傳送的數(shù)據(jù)排隊(duì)，運(yùn)算區(qū)先存放兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)為一個(gè)字節(jié)，第三個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)放在緩沖區(qū)內(nèi)，運(yùn)算區(qū)的數(shù)據(jù)按位運(yùn)算，最左邊為標(biāo)志位，標(biāo)志位左移，緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)也左移一位（運(yùn)算區(qū)內(nèi)為新的16位數(shù)據(jù)），標(biāo)志位與CRC-1 6 多項(xiàng)式的最高位系數(shù)（總為1）比較，標(biāo)志位為1 則運(yùn)算區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)位與多項(xiàng)式的后十六位“異或”運(yùn)算，為零則不運(yùn)算。然后下一位左移，過程同上，直至緩沖區(qū)內(nèi)的八位數(shù)據(jù)全傳輸至運(yùn)算區(qū)內(nèi)為止。這時(shí)第三個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)運(yùn)算完畢，將第四個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，運(yùn)算方法同上。
待數(shù)據(jù)串運(yùn)算完畢后，后面附加16 個(gè)零進(jìn)行運(yùn)算，數(shù)據(jù)完全運(yùn)算完成后，運(yùn)算區(qū)的兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)就是生成的CRC校驗(yàn)碼。將CRC 校驗(yàn)位附在信息碼后作為循環(huán)碼發(fā)送。
以上是CRC 校驗(yàn)碼的產(chǎn)生過程。
接收方在接收到數(shù)據(jù)（循環(huán)碼= 數(shù)據(jù)串+ 校驗(yàn)位）后，再進(jìn)行CRC 校驗(yàn)，最后產(chǎn)生的運(yùn)算區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)就是待校驗(yàn)的余數(shù)，余數(shù)為零則表示接受的數(shù)據(jù)串正確，否則為錯(cuò)。
CR C 碼以模二除法得到余數(shù)，具體實(shí)現(xiàn)方法是用“異或”運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)CRC 檢驗(yàn)子程序如下：
CRC_CHECK:
MOV R3, #00H ；存儲(chǔ)CRC碼高位
MOV R4, #00H ；存儲(chǔ)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(jìn)位標(biāo)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(yùn)算
MOV R3, A
MOV A, R4
XRL A, #05H ；低字節(jié)異或運(yùn)算
MOV R4, A
CRC2: DJNZ R7, CRC1
INC R0 ；取下一校驗(yàn)字節(jié)數(shù)據(jù)
DJNZ R6, CRC0 ；R6 為欲校驗(yàn)數(shù)據(jù)串的長(zhǎng)度
RET
6 無線模塊特征說明
本系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸是基于IEEE802.15.4協(xié)議的ZigBee技術(shù)。IEEE 802.15.4無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了一種短距離、低功耗、低速率、低價(jià)位、高效率、高可靠性的短程無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。遵循這一標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)被稱作ZigBee 技術(shù)。ZigBee 技術(shù)是一種低速率無線傳輸技術(shù)，采用直序擴(kuò)頻(DS S S ) 技術(shù)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(gè)開放的頻率。該技術(shù)的突出特點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)單，電池壽命長(zhǎng)，有組網(wǎng)能力，可靠性高以及成本低。
在ZigBee 的七層協(xié)議中，IEEE802.15.4 只定義了PHY和MAC 層，實(shí)體層（PHY）規(guī)范確定了在2.4GHz 以250Kbps的基準(zhǔn)傳輸率工作的低功耗展頻無線電（另有一些以更低數(shù)據(jù)傳播率工作的915 MHz 和868 MHz 的實(shí)體層規(guī)范），介質(zhì)訪問層（MAC）規(guī)范定義了在同一區(qū)域工作的多個(gè)802.15.4無線電信號(hào)如何共享空中通道。ZigBee兼容性平臺(tái)則在IEEE802.15.4 的基礎(chǔ)上包含了網(wǎng)絡(luò)與安全層、以及應(yīng)用開發(fā)框架(Application Framework)的定義。ZigBee 技術(shù)主要工作在無須注冊(cè)的2.4GHz ISM頻段，數(shù)據(jù)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(xié)議的赫立訊IP?Link1000-B 無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊，組網(wǎng)形式為星型網(wǎng)絡(luò)。模塊的工作狀態(tài)由外部設(shè)備控制，外部設(shè)備通過模塊的UART0接口，采用AT命令或數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的形式對(duì)IP?Link1000-B模塊進(jìn)行配置和操作。
無線模塊在使用前先進(jìn)行參數(shù)配置，包括對(duì)UART0 的波特率，模塊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)號(hào)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，配置結(jié)果保存于模塊內(nèi)部非易失性存儲(chǔ)器中，然后模塊進(jìn)入數(shù)據(jù)狀態(tài)，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)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(jìn)入活動(dòng)模式，數(shù)據(jù)傳輸成功后又回到休眠狀態(tài)。
文中的無線硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)解決方案經(jīng)測(cè)試運(yùn)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(shè)計(jì)方案，可適用于各種單片機(jī)，并且作為無線通信技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的推廣和廣泛的運(yùn)用有著較好的參考價(jià)值。