通過(guò)利用Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄水表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的親睞并逐漸取代了傳統(tǒng)的抄表系統(tǒng)傳統(tǒng)抄表系統(tǒng)大致可以分為三類(lèi)：智能卡水表、有線(xiàn)自動(dòng)抄表系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)智能水表。其中有線(xiàn)自動(dòng)抄表系統(tǒng)又可分為分線(xiàn)制集中抄表和總線(xiàn)制集中抄表。由于前兩種方式都存在著不利因素，故目前無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表系統(tǒng)越來(lái)越受到業(yè)界的矚目。

1 Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介

1．1 Zigbee技術(shù)概述

Zigbee采用IEEE 802．15．4通信標(biāo)準(zhǔn)，工作于免申請(qǐng)和免費(fèi)使用的2．4 GHz頻段，是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離傳輸，適合用于無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線(xiàn)工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車(chē)自動(dòng)化、家庭和樓宇自動(dòng)化、醫(yī)用設(shè)備控制、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制等場(chǎng)合。Zigbee技術(shù)同Bluetooth，Wi-Fi相比較具有如下優(yōu)點(diǎn)：

數(shù)據(jù)傳輸速率低：10～250 KB／s，專(zhuān)注于低傳輸應(yīng)用。

功耗低：在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)電池可使用6～24個(gè)月。

成本低：Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本。

網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65 000個(gè)設(shè)備。

時(shí)延短：典型搜索設(shè)備時(shí)延為30 ms；休眠激活時(shí)延為15 ms；活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15 ms。

網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，通信可靠。

數(shù)據(jù)安全：Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法，各個(gè)應(yīng)用可靈活確定其安全屬性。

1．2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Zigbee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹(shù)型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)如圖1所示。實(shí)際中根據(jù)需要選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器就是網(wǎng)絡(luò)中的中心節(jié)點(diǎn)，是網(wǎng)絡(luò)的組織者，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建和信息路由；全功能設(shè)備FFD可作為協(xié)調(diào)器使用，是具有路由與中繼功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以與 RFD節(jié)點(diǎn)通信，也可以與別的FFD節(jié)點(diǎn)通信；精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，相互間不能直接通信，只能通過(guò)FFD節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收信息，不具有路由和中繼功能。但FRD和FFD的硬件結(jié)構(gòu)完全相同，只是網(wǎng)絡(luò)層不一樣。

2 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)主要用于樓宇水表的自動(dòng)抄表，抄表人員可以不用進(jìn)入各個(gè)住戶(hù)而將表數(shù)據(jù)讀回。圖2為單元樓內(nèi)Zig-bee通信框圖?？傮w設(shè)計(jì)為首先在單元樓內(nèi)安裝一個(gè)Zigbee數(shù)據(jù)采集模塊，用于方便讀表人員收集各住戶(hù)水表數(shù)據(jù)；同時(shí)還要在各住戶(hù)家中安裝一Zigbee遠(yuǎn)程用戶(hù)終端模塊，其主要用來(lái)讀取水表的數(shù)據(jù)然后通過(guò)Zigbee的射頻部分將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igbee的數(shù)據(jù)采集模塊。

2．1 CC2480介紹

Zigbee遠(yuǎn)程用戶(hù)終端模塊和Zigbee數(shù)據(jù)采集模塊中，Zigbee部分采用德州儀器（TI）近日宣布推出最新Z-Accel系列2．4 GHz Zigbee認(rèn)證網(wǎng)絡(luò)處理器中的首款產(chǎn)品——CC2480來(lái)完成，CC2480只需要很少的外圍器件（外圍電路如圖3所示）且該器件無(wú)需了解繁瑣的全功能 Zigbee協(xié)議棧，從而減少開(kāi)發(fā)時(shí)間并簡(jiǎn)化了Zigbee功能。CC2480不僅能夠通過(guò)SPI或UART接口與各種MCU通信，還能與TI的 MPS430超低功耗MCU等器件相結(jié)合。Z-stack軟件Zigbee-2006協(xié)議棧可以在Zigbee處理器上運(yùn)行，而應(yīng)用程序則能在外部MCU 上運(yùn)行。CC2480能夠處理所有時(shí)序關(guān)鍵型與處理密集型Zigbee協(xié)議任務(wù)，而將應(yīng)用MCU的資源占用的空間釋放出來(lái)用于滿(mǎn)足其他程序的要求。

2．2 Zigbee遠(yuǎn)程用戶(hù)終端模塊

Zibbee遠(yuǎn)程用戶(hù)終端模塊安裝于單元樓中各住戶(hù)家中。在遠(yuǎn)程用戶(hù)終端模塊中采用8條數(shù)據(jù)線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)讀取水表數(shù)據(jù)，其中8條數(shù)據(jù)線(xiàn)與水表連接部分此處不做討論。Zigbee遠(yuǎn)程用戶(hù)終端模塊如圖4所示。其中，數(shù)據(jù)線(xiàn)1，2，3用于通過(guò)三線(xiàn)譯碼來(lái)控制水表數(shù)據(jù)的某位；數(shù)據(jù)線(xiàn)4，5，6，7用于顯示水表某位上的數(shù)據(jù)；8為地線(xiàn)。例如，數(shù)據(jù)線(xiàn)1，2，3狀態(tài)為000，則4，5，6，7位顯示數(shù)字為水表第一位數(shù)字讀數(shù)；數(shù)據(jù)線(xiàn)1，2，3狀態(tài)為111，則 4，5，6，7位顯示數(shù)字為水表第八位數(shù)字讀數(shù)。在每一位讀數(shù)后分別送入Zigbee模塊進(jìn)行處理。

2．3 Zigbee數(shù)據(jù)采集模塊

Zigbee數(shù)據(jù)采集模塊（見(jiàn)圖5）安裝于單元樓中的一層或比較方便讀表員讀表的位置。當(dāng)Zigbee模塊收到數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)LED驅(qū)動(dòng)芯片將數(shù)據(jù)輸出到 LED顯示器上，這樣讀表人員就可以清楚讀數(shù)，其中前兩位用于顯示各住戶(hù)的房間號(hào)，后六位用于顯示對(duì)應(yīng)房間號(hào)的水表數(shù)據(jù)。鍵盤(pán)用于控制LED顯示器。其中，智能鍵盤(pán)和LED驅(qū)動(dòng)及USB驅(qū)動(dòng)分別采用芯片RIC16C63和芯片USBN9602。

RIC16C63是一款高性能8位微處理器，具有優(yōu)越的RISC結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)只有35條指令。具有UARST，SPI，I2C多種串行驅(qū)動(dòng)功能，片內(nèi)有三個(gè)定時(shí)器。其特點(diǎn)如下：

（1）與CPU鏈接方式采用I2C接口（也可采用USART串行通信接口方式或三線(xiàn)制SPI接口方式）。

（2）最多16個(gè)鍵盤(pán)輸入，可提供鍵盤(pán)中斷信號(hào)。

（3）可提供8個(gè)LED數(shù)碼管，可選擇BCD碼數(shù)字驅(qū)動(dòng)方式或段驅(qū)動(dòng)方式，具有LED亮度軟件設(shè)置功能。

（4）同時(shí)執(zhí)行鍵盤(pán)和顯示操作。

USBN9602是標(biāo)準(zhǔn)雙列直插式28引腳芯片。芯片內(nèi)部總共帶有7個(gè)傳送／接收FIFO緩沖器，1個(gè)雙向傳送和接收FIFO緩沖器，3個(gè)單向傳送FIFO緩沖器，3個(gè)單向接收FIFO緩沖器。USBN9602廣泛用于測(cè)控技術(shù)、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理等。

3 結(jié) 語(yǔ)

以Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐的無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄水表系統(tǒng)，相比人工抄表方式或其他自動(dòng)抄水表系統(tǒng)大大降低了運(yùn)行成本和功耗，工作效率明顯提高，節(jié)點(diǎn)硬件也易于實(shí)現(xiàn)，避免了有線(xiàn)抄表系統(tǒng)施工布線(xiàn)帶來(lái)的各種問(wèn)題。本設(shè)計(jì)提出的方案，硬件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)用戶(hù)用水時(shí)用戶(hù)水表的液輪滾動(dòng)，Zigbee遠(yuǎn)程終端用戶(hù)模塊通過(guò)譯碼方式采集到水表數(shù)據(jù)，然后通過(guò)此模塊的射頻部分傳輸?shù)絑igbee數(shù)據(jù)采集模塊。采集到的數(shù)據(jù)有時(shí)有延時(shí)，主要原因可能是Zigbee的射頻部分所致，因此，還要經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)Zigbee的射頻部分，使采集到的數(shù)據(jù)更加精確。