基于GPRS網(wǎng)絡(luò)和ZigBee無線通信技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)設(shè)計

引言

隨著城市居民住宅建設(shè)日益發(fā)展，抄表計量也日趨復(fù)雜。傳統(tǒng)的手工抄表方式費時、費力，準(zhǔn)確性和及時性都得不到保障，已經(jīng)不適應(yīng)社會的發(fā)展需求。雖然目前自動抄表系統(tǒng)的研制開發(fā)在我國有著強勁的發(fā)展勢頭，但實際應(yīng)用的自動抄表系統(tǒng)的通信介質(zhì)大多都采用總線方式。目前，國內(nèi)比較流行的是RS一485總線，其復(fù)雜的布線不僅會對用戶家中的裝修造成很大的破壞，而且也使得系統(tǒng)調(diào)試和維護困難重重，這在很大程度上影響了自動抄表系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，所以迫切需要尋求一種無線的解決方案。

對此，本文提出了一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)和ZigBee無線通用技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)技術(shù)方案。此方案不僅能滿足遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)的迫切需要，促進(jìn)抄表系統(tǒng)自動化的發(fā)展，而且在科研上提出了一種新的設(shè)計思想，即將ZigBee技術(shù)和GPRS通信技術(shù)相結(jié)合。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

抄表系統(tǒng)整體由監(jiān)控中心站、GPRS無線數(shù)傳終端DTU（data transfer unit）和數(shù)據(jù)采集終端三大部分構(gòu)成。其中，監(jiān)控中心站主要由監(jiān)控中心計算機、企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)（Intranet）和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等外圍設(shè)備組成；GPRS無線數(shù)傳終端由MSP430F149單片機及外圍電路和Motorola公司生產(chǎn)的G24無線通信模塊兩部分組成；數(shù)據(jù)采集終端采用的是Chipcon公司生產(chǎn)的CC2430產(chǎn)品。系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)進(jìn)行收發(fā)信號，通過ZigBee終端節(jié)點進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，然后經(jīng)ZigBee總結(jié)點協(xié)調(diào)器將采集的數(shù)據(jù)傳給DTU，最后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳給監(jiān)控中心。無線抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)傳終端硬件設(shè)計

GPRS數(shù)傳終端DTU是數(shù)據(jù)采集端與監(jiān)控中心之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)能夠及時傳送到監(jiān)控中心計算機中，同樣，監(jiān)控中心的查詢或控制命令也可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給采集終端 。數(shù)傳終端的主要功能有：① 數(shù)據(jù)的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)和遇錯重發(fā)ARQ（automatic repeat—request）；② 為監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)采集端建立一個透明的連接；③ 數(shù)據(jù)傳輸過程中可使用密匙檢驗。

數(shù)傳終端主要由GPRS無線數(shù)傳模塊、數(shù)據(jù)通信接口、串行存儲模塊、微處理器（MCU）、電源模塊及JTAG接口與復(fù)位模塊組成。其硬件框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)傳終端的硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)設(shè)計時，考慮所要實現(xiàn)的任務(wù)、性價比和片內(nèi)資源等問題，選擇TI公司的MSP430F149作為系統(tǒng)的中央處理器。TI公司的MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，其中包括一系列器件，它們根據(jù)不同的應(yīng)用而由各種不同的模塊組成。其中MSP430F149是一款片內(nèi)帶Flash存儲器的MSP430單片機。它具有16位RISC結(jié)構(gòu)，CPU中的16個寄存器和常數(shù)發(fā)生器使其能達(dá)到最高的代碼效率；靈活的時鐘源可以使器件功率消耗降至最低；數(shù)字控制的振蕩器DCO（digital control oscillator）可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于6 uS的時問內(nèi)激活到活躍的工作方式。

GPRS無線通信模塊選用的是Motorola公司生產(chǎn)的G24模塊。G24模塊是一款高速的GSM／GPRS／EDGE模塊，支持850／900／1 800／1 9OO MHz四種頻率，所在頻段功耗分別為2 w（850／900 MHz）和1 w（1 800／1 900 MHz）；自動波特率范圍為300 bit／s～115 kbit／s，由標(biāo)準(zhǔn)的AT指令控制。G24模塊通過一個70 PIN、0.5 mm間距的表面安裝插座和應(yīng)用電路板相連，其外圍電路主要由供電電路、SIM卡接口電路和串行口電路等幾大部分組成。

MSP430F149有USART 和USART 兩個串行通信模塊，分別與G24模塊和ZigBee網(wǎng)絡(luò)總結(jié)點協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信；使用了Flash存儲器，存儲器有主存儲器段和信息段兩種類型，應(yīng)用程序存儲在主存儲器段，數(shù)傳終端的設(shè)置信息通過對Flash信息段的編程和擦除寫入；其余的通用I／O端口分別實現(xiàn)數(shù)傳終端的各種控制和傳輸功能。

2.2 數(shù)據(jù)采集端硬件設(shè)計

ZigBee技術(shù)是一種新的短矩離無線通信技術(shù)，它具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的特性。由于整個抄表系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量小，對傳輸速率要求不高，且現(xiàn)場由電池供電，因此，ZigBee技術(shù)符合此要求。ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含三種類型的節(jié)點，即協(xié)調(diào)器zc（ZigBee coordinator）、路由器ZR（ZigBee router）和終端設(shè)備ZE（ZigBee end device）。其中，協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設(shè)備FFD（full function device），而終端設(shè)備選用精簡功能設(shè)備RFD（reduced function de—vice）。

CC2430是一個真正的系統(tǒng)芯片（SoC）COMS解決方案，這種解決方案能夠提高數(shù)據(jù)采集終端的性能，并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段應(yīng)用對低成本、低功耗的要求。它包括了1個高性能的2.4 GHz直接序列擴頻DSSS（direct sequence spread spectrum）射頻收發(fā)器核心和1個工業(yè)級小巧高效的80.51控制器，在單個芯片上集成了ZigBee射頻RF（radio fre.

quency）前端、內(nèi)存和微控制器；具有2／64／128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，還包括ADC、定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路和21個可編程I／O 引腳，可實現(xiàn)節(jié)點的微型化。

CC2430無線單片機功耗非常低，待機時電流消耗僅為0.2 A，在32 kHz晶體時鐘下運行時，電流消耗也小于1 A，使用小型電池壽命可以長達(dá)10年。節(jié)點硬件框圖如圖3所示。

圖3 節(jié)點硬件設(shè)計框圖

為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的硬件基礎(chǔ)架構(gòu)，將硬件設(shè)計分為無線收發(fā)模塊和無線測試模塊兩大部分。無線收發(fā)模塊電路包括CC2430芯片及其相關(guān)外圍電路。由于CC2430將8051內(nèi)核與無線收發(fā)模塊集成到一個芯片當(dāng)中，簡化了電路的設(shè)計過程，省去了對單片機與無線收發(fā)芯片之間接口電路的設(shè)計，縮短了研發(fā)周期。無線測試模塊電路主要有測試電路、JTAG電路、供電電路和串口轉(zhuǎn)換電路四部分，它為實現(xiàn)節(jié)點程序的下載、在線調(diào)試、開關(guān)與LED指示燈模擬測試、節(jié)點信息數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸提供硬件接口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 數(shù)傳終端軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用c語言作為開發(fā)工具，軟件開發(fā)環(huán)境為廣泛應(yīng)用的MSP430開發(fā)軟件IAR集成開發(fā)環(huán)境，包括IAR嵌入式工作臺（embedded workbench）和C—SPY調(diào)試器。在此，系統(tǒng)重點解決監(jiān)控中心與數(shù)據(jù)采集終端的通信問題，采用GPRS無線通信模塊G24實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)通信，監(jiān)控中心采用個人PC機，GPRS無線通信模塊G24通過AT指令來進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)傳輸采用內(nèi)置TCP／IP發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)傳終端軟件設(shè)計部分可分為初始化模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送處理模塊、數(shù)據(jù)接收處理模塊、數(shù)據(jù)存取模塊和串口中斷等。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程示意圖

主程序的任務(wù)是將幾個功能模塊聯(lián)結(jié)成一個整體，處理各個功能模塊之間的調(diào)度任務(wù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運行。主程序首先完成整個系統(tǒng)的初始化設(shè)置，包括單片機的初始化和G24模塊的初始化；然后通過AT+MIPCALL指令控制G24模塊建立GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，如果GPRS網(wǎng)絡(luò)能正常登錄即模塊成功獲得一個動態(tài)分配的IP地址，則通過AT+MIPOPEN指令控制模塊建立一個和遠(yuǎn)端服務(wù)器（即監(jiān)控中心服務(wù)器）的Socket連接。數(shù)傳終端和監(jiān)控中心服務(wù)器成功建立聯(lián)系后，系統(tǒng)進(jìn)入主循環(huán)，主程序在主循環(huán)中通過查詢各功能標(biāo)志來判斷是否需要進(jìn)入相應(yīng)的模塊進(jìn)行處理。各個模塊在完成各自的任務(wù)后通過改變標(biāo)志的方式通知主程序可以繼續(xù)執(zhí)行下一步工作。

3.2 數(shù)據(jù)采集端軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集端的軟件設(shè)計主要包括協(xié)調(diào)器ZC節(jié)點軟件設(shè)計和終端設(shè)備ZE節(jié)點軟件設(shè)計 。協(xié)調(diào)器通過串口RS-232和數(shù)傳終端相連，并將各終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)傳終端傳給監(jiān)控中心。由于實際情況中采集的數(shù)據(jù)是各用戶的用表數(shù)據(jù)，所以監(jiān)控中心必須要對監(jiān)測區(qū)域有宏觀的把握，即將數(shù)據(jù)和各用戶對應(yīng)起來。這就需要每個終端設(shè)備節(jié)點在加入網(wǎng)絡(luò)后把網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址后建立地址表并存儲起來，以便采集數(shù)據(jù)時依據(jù)地址表來采集每個終端節(jié)點的數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端設(shè)備節(jié)點軟件設(shè)計流程總圖如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點程序流程總圖

3.3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方案

當(dāng)終端節(jié)點成功加入網(wǎng)絡(luò)后，各節(jié)點會按照人網(wǎng)先后順序自動獲得一個網(wǎng)絡(luò)地址，并將網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)給協(xié)調(diào)器。當(dāng)協(xié)調(diào)器收到信息時，根據(jù)數(shù)據(jù)的第一個標(biāo)志字符來判斷是終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址還是節(jié)點采集的數(shù)據(jù)。若是網(wǎng)絡(luò)地址，則把該網(wǎng)絡(luò)地址存儲在地址表里，然后把網(wǎng)絡(luò)地址通過串口發(fā)送給數(shù)傳終端，經(jīng)數(shù)傳終端傳給上位機，由上位機作進(jìn)一步處理；若是節(jié)點采集的數(shù)據(jù)信息，需要把該數(shù)據(jù)存到臨時數(shù)組里，依據(jù)地址表采集下一個節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)整個監(jiān)測區(qū)域的節(jié)點數(shù)據(jù)采集完畢后，根據(jù)臨時數(shù)組里的數(shù)據(jù)作融合，并把最終結(jié)果傳給監(jiān)控中心。同時，在監(jiān)控中心的上位機中建立一個數(shù)據(jù)庫，分別將各節(jié)點的地址和該節(jié)點采集的數(shù)據(jù)一一對應(yīng)起來，這樣就實現(xiàn)了各用戶用表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確抄讀。

4 結(jié)束語

基于GPRS無線通信技術(shù)的遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)，結(jié)合基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，改變了以往全人工抄表的模式，從本質(zhì)上提高了抄表人員的工作效率和準(zhǔn)確率；集中抄表范圍廣且安裝、維護方便，不需要進(jìn)行專門布線，同時可對表具設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、參數(shù)調(diào)整和開關(guān)等控制操作。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)抄表用戶的不同分布，靈活地構(gòu)建抄表的無線網(wǎng)絡(luò)，甚至可以將ZigBee無線模塊集成到電能表、水表和燃?xì)獗碇校瑥亩耆珜崿F(xiàn)居民區(qū)集中抄表、無布線和快速組網(wǎng)以及三表統(tǒng)一抄收的功能。