基于ZigBee的无线水表抄表系统的设计*

魏东旭 ，王 平

（1.淮阴师范学院 物电学院，江苏 淮安223300；2.南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京210016）

目前的自动抄表系统，从数据传输角度划分，可分为有线、无线两大类。这两大类抄表系统各有其适用的应用领域，但就抄表系统的投资、建设、维护等几方面而言，无线抄表系统显然具有更大优势。

从应用角度而言，目前市场上的几种水表的无线抄表方案或多或少存在以下几种问题：(1)使用成本较高；(2)网络的自管理能力有限；(3)抄表终端的供电问题难以很好地解决，由于抄表终端难以做到极低功耗，所以供电问题始终是一个瓶颈。

1 ZigBee技术

1.1 ZigBee技术简介

随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术，称之为ZigBee，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制、远程控制领域及家用设备联网。采用ZigBee技术可以为水表的无线抄表提供很好的解决方案。

目前主要的无线技术都集中在1 Mb/s以上的速率，新的标准还在追求更快的速率；而IEEE 802.15.4/ZigBee恰恰填补了低速率无线通信技术的空缺，与其他标准在应用上几乎无交叉[1]。

1.2 ZigBee协议架构

完整的 ZigBee协议栈主要由物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、网络层(NWK)、安全层和高层应用规范组成。其中，物理层和MAC层由IEEE 802.15.4协议标准定义，网络层和应用层由ZigBee联盟制定。ZigBee协议架构[2]如图1所示。

2 无线抄表系统设计

2.1 无线抄表系统构架

分析自来水抄表系统的技术要求，结合ZigBee技术的特点和技术优势，在实际应用中，根据抄表用户的不同分布灵活地构建抄表的无线网络。

所构建的ZigBee网络既可以是星型拓扑，也可以是网状网络拓扑。不论是哪种拓扑结构的ZigBee网络，根据实际的组网要求，设计合理的网络结构。如图2所示，本系统的拓扑结构采用MESH网状网络结构，保证数据传输的可靠性。每幢单元楼设置一个ZigBee远端节点，一个小区设置一个ZigBee中心节点，ZigBee中心节点数据集中上传到集抄中心。

2.2 基于ZigBee无线通信技术的智能水表

水表本体部分仍旧选用目前市场上的带脉冲输出的水表，因为水表的制造工艺成熟，不必自行开发任何部件，利用原有可靠的技术能节约开发时间和成本。水表的机械表头读数仍旧存在，当通信异常或智能水表计数部分故障时，依然可以读取数据,减少故障带来的计量损失。图3所示为智能水表的结构框图。

3 ZigBee节点电路设计

系统结构框图如图4所示。在本系统中，每个终端既是采集器模块、中继器模块，同时又是集中器中的 ZigBee数据收发模块。但各模块功能各不相同，主要通过软件实现。

在节点系统中，采用MSP430单片机实现对脉冲水表和ZigBee无线模块CC2430的控制。

MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器[3-4]（Mixed Signal Processor）。之所以称为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。

CC2430芯片作为单芯片ZigBee解决方案，已经将ZigBee主要功能电路封装在模块内[5-6](如时钟电路、RF电路、温度检测等)，同时芯片内集成了 8051 MCU，理论上可以制作为独立的终端设备，但是考虑到下载程序的要求，必须让其与单片机构成同一系统，这样才能下载程序，才能更好地实现对系统的控制。因此要设计相应外围电路，包括复位电路、电源电路、晶振时钟电路、接口电路等。

3.1 复位电路设计

复位电路主要完成系统的复位功能，可以采用上电复位和系统在运行时用户的按键复位。复位电路可以由简单的RC电路构成，也可以选用专门的系统复位芯片。为了简化电路，本系统选取了复位开关的方式，即可以通过手动控制系统的复位。系统复位电路如图5所示。在系统需要复位时，可以按下S键，复位电路就会产生一个低电平，输入到芯片的RESET口，使得芯片重新启动，执行一系列的硬件初始化操作，并且将芯片的相关寄存器组恢复为默认的数值，使得程序从默认的地方开始执行。

3.2 电源模块的设计

由于CC2430具有出色的低功耗性能，因此，硬件平台采用4节1.5 V干电池供电。因为CC2430及其外围电路采用3.3 V电源供电，所以需要设计一个DC-DC电源转换电路，将电池输入电压转换为3.3 V工作电压，使系统在4 V～6 V电池电压范围内正常工作。选用AS2815-3.3线性电压转换芯片实现转换功能，电路原理图如图6所示。图中VCC_5 V是干电池提供的系统电源，VCC_3.3 V为信号采集模块中光耦隔离电路电源，经磁珠FB1滤波后作为网络节点的主电源VDD_3.3 V。

3.3 时钟电路设计

目前所有的微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作。晶振电路用于向CPU及其他电路提供工作的时钟。因此，系统使用较低的外部时钟信号，以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声。本系统选用11.059 2 MHz的晶振。晶振的设计电路原理图如图7所示。

4 测试结果及结论

将所建立的硬件开发平台通过RS232串口和PC机相连，平台上的数据的发送和接收以及平台上ZigBee网络的建立可以通过串口在PC机上串口助手来显示。通过串口助手观测硬件电路板发过来的通信信息。

操作步骤：

(1)打开一个串口调试程序，设置波特率为9 600 b/s。

(2)组成设备，让一个节点作为发送设备与PC机串口相连作为节点A，与COM相连，设定自己为第一节点，开始建立网络。

(3)让另外一个节点与另外一台PC机串口相连作为节点B，与COM相连，申请加入A建立的网络。

(4)从B节点发送数据，可以从A节点成功接收，如图8所示完成测试。

根据以上测试可知，ZigBee两个节点之间可以按照ZigBee协议进行正常建网、节点加入和通信，这给Zig-Bee抄表设计的成功带来希望，可以此为据进行无线抄表系统的设计。

[1]冀小平，商莹，王光玲.基于 CC2480的 ZigBee无线水表自动抄表系统研究与设计[J].现代电子技术，2009，32（11）：71-73.

[2]朱永利，陈涛，郭少杰.ZigBee技术在无线抄表中的应用[J].电力系统通信，2008，29(8)：37-39.

[3]蒋万秋，崔明.基于MSP430单片机的紫外线强度探测器设计[J].微计算机信息，2011，27(2)：47-49.

[4]胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.

[5]汪玉凤，姜林.基于 ZigBee和 GPRS的无线抄表系统[J].仪表技术与传感器，2010(10)：49-50.

[6]尹应鹏，李平舟，郭志华.基于CC2430的ZigBee无线数传模块的设计和实现[J].电子元器件应用，2008(4)：18-21.