基于CC2480的Zigbee無線水表自動抄表系統(tǒng)研究與設計

摘要：隨著科技的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)抄水表技術已不再適合當今物業(yè)管理的需要，無線自動抄水表技術與其相比具有不入戶、管理費用低，快速以及避免誤抄、錯抄等優(yōu)點。基于此設計了一種無線抄表系統(tǒng)，該設計共包含遠程用戶終端模塊和無線收發(fā)模塊兩部分，這兩部分都采用射頻芯片CC2480和相應的電路組成，并采用T1最新推出的首款Z-Aeee1系列處理器。用二進制計數(shù)方法讀取水表數(shù)據．然后通過射頻部分收集此數(shù)據。實現(xiàn)不入戶采集多戶數(shù)據，且成本較低。
關鍵詞：Zigbee；無線網絡；IEEE 802．15．4規(guī)范；CC2480；傳統(tǒng)抄水表；無線抄水表

0 引 言
    隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，無線抄表系統(tǒng)越來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：智能卡水表、有線自動抄表系統(tǒng)、無線智能水表。其中有線自動抄表系統(tǒng)又可分為分線制集中抄表和總線制集中抄表。由于前兩種方式都存在著不利因素，故目前無線自動抄表系統(tǒng)越來越受到業(yè)界的矚目。

l Zigbee技術簡介
1．1 Zigbee技術概述
    Zigbee采用IEEE 802．15．4通信標準，工作于免申請和免費使用的2．4 GHz頻段，是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據速率、低成本、低復雜度的無線網絡技術，主要用于近距離傳輸，適合用于無線數(shù)據采集、無線工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用設備控制、遠程網絡控制等場合。Zigbee技術同Bluetooth，Wi-Fi相比較具有如下優(yōu)點：
    數(shù)據傳輸速率低：10～250 KB／s，專注于低傳輸應用。
    功耗低：在低功耗待機模式下，兩節(jié)普通5號電池可使用6～24個月。
    成本低：Zigbee數(shù)據傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。
    網絡容量大：網絡可容納65 000個設備。
    時延短：典型搜索設備時延為30 ms；休眠激活時延為15 ms；活動設備信道接入時延為15 ms。
    網絡的自組織、自愈能力強，通信可靠。
    數(shù)據安全：Zigbee提供了數(shù)據完整性檢查和鑒權功能，采用AES-128加密算法，各個應用可靈活確定其安全屬性。
1．2 Zigbee網絡拓撲結構
    Zigbee技術具有強大的組網能力，可以形成星型、樹型和MESH網狀網如圖1所示。實際中根據需要選擇合適的網絡結構。

    網絡協(xié)調器就是網絡中的中心節(jié)點，是網絡的組織者，負責網絡組建和信息路由；全功能設備FFD可作為協(xié)調器使用，是具有路由與中繼功能的網絡節(jié)點，可以與RFD節(jié)點通信，也可以與別的FFD節(jié)點通信；精簡功能設備RFD節(jié)點作為網絡終端節(jié)點，相互間不能直接通信，只能通過FFD節(jié)點發(fā)送和接收信息，不具有路由和中繼功能。但FRD和FFD的硬件結構完全相同，只是網絡層不一樣。

2 設計方案
    本設計主要用于樓宇水表的自動抄表，抄表人員可以不用進入各個住戶而將表數(shù)據讀回。圖2為單元樓內Zig-bee通信框圖?？傮w設計為首先在單元樓內安裝一個Zigbee數(shù)據采集模塊，用于方便讀表人員收集各住戶水表數(shù)據；同時還要在各住戶家中安裝一Zigbee遠程用戶終端模塊，其主要用來讀取水表的數(shù)據然后通過Zigbee的射頻部分將數(shù)據傳輸?shù)絑igbee的數(shù)據采集模塊。
2．1 CC2480介紹
    Zigbee遠程用戶終端模塊和Zigbee數(shù)據采集模塊中，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認證網絡處理器中的首款產品——CC2480來完成，CC2480只需要很少的外圍器件(外圍電路如圖3所示)且該器件無需了解繁瑣的全功能Zigbee協(xié)議棧，從而減少開發(fā)時間并簡化了Zigbee功能。CC2480不僅能夠通過SPI或UART接口與各種MCU通信，還能與TI的MPS430超低功耗MCU等器件相結合。Z-stack軟件Zigbee-2006協(xié)議?？梢栽赯igbee處理器上運行，而應用程序則能在外部MCU上運行。CC2480能夠處理所有時序關鍵型與處理密集型Zigbee協(xié)議任務，而將應用MCU的資源占用的空間釋放出來用于滿足其他程序的要求。圖2單元樓內Zigbee通信框圖

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2．2 Zigbee遠程用戶終端模塊
    Zibbee遠程用戶終端模塊安裝于單元樓中各住戶家中。在遠程用戶終端模塊中采用8條數(shù)據線來實現(xiàn)讀取水表數(shù)據，其中8條數(shù)據線與水表連接部分此處不做討論。Zigbee遠程用戶終端模塊如圖4所示。其中，數(shù)據線1，2，3用于通過三線譯碼來控制水表數(shù)據的某位；數(shù)據線4，5，6，7用于顯示水表某位上的數(shù)據；8為地線。例如，數(shù)據線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)據線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模塊進行處理。

2．3 Zigbee數(shù)據采集模塊
    Zigbee數(shù)據采集模塊(見圖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Zigbee模塊收到數(shù)據時通過LED驅動芯片將數(shù)據輸出到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的房間號，后六位用于顯示對應房間號的水表數(shù)據。鍵盤用于控制LED顯示器。其中，智能鍵盤和LED驅動及USB驅動分別采用芯片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結構，指令系統(tǒng)只有35條指令。具有UARST，SPI，I2C多種串行驅動功能，片內有三個定時器。其特點如下：
    (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制SPI接口方式)。
    (2)最多16個鍵盤輸入，可提供鍵盤中斷信號。
    (3)可提供8個LED數(shù)碼管，可選擇BCD碼數(shù)字驅動方式或段驅動方式，具有LED亮度軟件設置功能。
    (4)同時執(zhí)行鍵盤和顯示操作。
    USBN9602是標準雙列直插式28引腳芯片。芯片內部總共帶有7個傳送／接收FIFO緩沖器，1個雙向傳送和接收FIFO緩沖器，3個單向傳送FIFO緩沖器，3個單向接收FIFO緩沖器。USBN9602廣泛用于測控技術、數(shù)據采集、信號處理等。

3 結 語
    以Zigbee網絡技術為支撐的無線自動抄水表系統(tǒng)，相比人工抄表方式或其他自動抄水表系統(tǒng)大大降低了運行成本和功耗，工作效率明顯提高，節(jié)點硬件也易于實現(xiàn)，避免了有線抄表系統(tǒng)施工布線帶來的各種問題。本設計提出的方案，硬件已經實現(xiàn)，當用戶用水時用戶水表的液輪滾動，Zigbee遠程終端用戶模塊通過譯碼方式采集到水表數(shù)據，然后通過此模塊的射頻部分傳輸?shù)絑igbee數(shù)據采集模塊。采集到的數(shù)據有時有延時，主要原因可能是Zigbee的射頻部分所致，因此，還要經過大量實驗，調節(jié)Zigbee的射頻部分，使采集到的數(shù)據更加精確。