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硕士论文 基于z i g b e e 的电表无线抄表系统设计 摘要 基于z i g b e e 无线通讯技术，通过对小区家用电表电能数据采样并进行无线发送 与接收，将接收端数据以串行通讯方式与主控计算机相联，实现用户电表的无线抄表 功能。 本文着重解决以下问题： 首先，对原有的机械式电表数字化改造的几种方案进行比较、选择。以低成本方 式实现电表数字化。其次，重点讨论以c c 2 4 3 0 芯片为核心所构成的无线通信模块组 建z i g b e e 网络的步骤。文章重点分析树型网络拓扑结构的组成，以及其路由成本的计 算分析。通过对协调器、路由器和采集终端建网、入网过程的分析，并以i a re w 软 件为平台进行程序开发，最终实现无线通信模块、z i g b e e 协议栈和应用程序的融合， 组建最简串状网络。 本文设计可以分为硬件和软件两个方面。 硬件部分以z i g b e ec c 2 4 3 0 芯片为核心组建网络硬件平台，其中包含m c u 和i u 模 块，接口模块，电源模块和显示模块。重点分析了各摸块的工作原理并进行了电路设 计，使之满足组网硬件需求。电表部分通过红外方式实现与原电表的同步计数，给出 了具体设计思路和原理电路。 软件以l a re w 为系统软件设计平台，结合z i g b e e 协议栈，通过应用程序的设 计，使无线通信模块分别具备了协调器、路由和采集终端的功能，并进行串状网络的 组网。 最后，通过对仿真波形的分析，确定了电表改造电路的正确性。通过实验，将三 块无线模块成功的组建了串状网络，清晰的显示了整个组网和网络数据通信的全过 程。进一步说明以c c 2 4 3 0 为核心的无线模块在无线网络通信中的高效和准确，整个 系统只需稍加改变，便可满足电表无线抄表需求。 关键词：c c 2 , 4 3 0 ；z i g b e e ；无线通信；电能抄表 a b s t r a e t 硕士论文 a b s t r a c t b a s eo nz i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，s a m p l i n gt h ea m m e t e rd a t ao f h o m eu s i n gt h e nd e l i v e ra n dr e c e i v ew i r e l e s s l y ，a n dc o n n e c tt h es i n kd a t a 、) l ，i t hc o m p u t e r w i t hs e r i a lc o m m u n i c a t i o nw a yt oa c h i e v ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no fh o m eu s i n g a m m e t e r t h i sa r t i c l ee m p h a s i z e st os o l v et h ef o l l o w i n gi s s u e s ： f i r s t l y ，c o m p a r ea n ds e l e c tt h es e v e r a lp r o j e c t st h a tt r a n s f o r mm e c h a n i c a le l e c t r i c i n s t r u m e n tt od i g i t a lt oa c h i e v el o wc o s t s e c o n d l y ，f o c u so nt h es t e p st h a tw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nm o d u l em a i n l yc o n s t i t u t e db yc c 2 4 3 0c h i pb u i l dz i g b e en e t w o r k i nt h i s a r t i c l ee m p h a s i z et oa n a l y s i st r e en e t w o r kt o p o l o g yc o m p o s i t i o na n dt h er e l a t e dc o s t t h r o u g ha n a l y z i n gt h es y n c h r o n i z e r ，t h er o u t e ra n dg a t h e r st h et e r m i n a lf i s h i n gn e t ，a sw e l l a se n t e rn e tp r o c e s s ，a l s od e v e l o pt h ep r o c e d u r eb a s eo ni a re ws o f t w a r et or e a l i z et h e i n o s c u l a t eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，z i g b e ea g r e e m e n ts t a c ka n da p p l i c a t i o n p r o c e d u r e ，a n ds e tu pt h es i m p l e s ts t r i n gs h a p en e t w o r k t h i sa r t i c l ec a nb ed i v i d e di n t oh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r ep a r ti sw i t ht h ec o r eo fz i g b e ec c 2 4 3 0c h i pt os e tu pn e t w o r kp l a t f o r m w h i c hi n c l u d em c ua n dr fm o d u l e ，i n t e r f a c em o d u l e ，p o w e rs o u r c em o d u l ea n dd i s p l a y m o d u l e e m p h a s i z et oa n a l y s ew o k ep r i n c i p l eo fe a c hm o d u l ea n dd e s i g nc i r c u i tt om e e t t h er e q u i r e m e n to fs e t t i n gu pn e t w o r k f o ra m m e t e r p a r tt h r o u g hi n f r a r e dw a y t or e a l i z e s y n c h r o n i z e dc o u n t i n gw i t ho r i g i n a la m m e t e r ，w h i c hh a sb e e ng i v e nt h ed e t a i l e dd e s i g n i d e aa n ds c h e m a t i cc i r c u i t t h es o f t w a r ep a r tu s ei a re wa sp l a t f o r mc o m b i n ew i t hz i g b e ea g r e e m e n ta n d t h r o u g ha p p l i c a t i o np r o c e d u r ed e s i g n i n gt om a k ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l eh a st h e f u n c t i o no fs y n c h r o n i z e r ，r o u t ea n dt e r m i n a lg a t h e r i n g ，a n ds e tu pt h es t r i n gs h a p en e t w o r k f i n a l l y ，t h r o u g ha n a l y z i n gs i m u l a t i o np r o f i l et oe n s u r e t h ec o r r e c t n e s so fc i r c u i t r e b u i l tb ya m m e t e r v i ae x p e r i m e n ts u c c e s s f u l l ys e tu ps t r i n gs h a p en e t w o r kw i t ht h r e e w i r e l e s sm o d u l e s ，c l e a r l yd i s p l a yt h ew h o l ep r o c e s so fe n t i r en e t w o r ka n dd a t a c o m m u n i c a t i o n f u r t h e rs h o wt h eh i g h l ye f f e c t i v ea n da c c u r a t eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n o fw i r e l e s sm o d u l et h a tu s ec c 2 4 3 0a sc o r ep a r t , t h ew h o l es y s t e mc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fa m m e t e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no n l yw i t hl i t t e rt r a n s f o r m a t i o n k e yw o r d s ：c c 2 4 3 0 ；z i g b e e ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；a m m e t e rr e a d i n g i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：乏堑翅 一 2 。o 年月多日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：兰奎至煎易j 3 年月多日 硕士论文 基于z i g b e e 的电表无线抄表系统设计 1 绪论 1 1 电能自动抄表背景与现状 随着经济的发展，居民和工业用电范围不断扩展，用电量快速上升。如何方便、 准确、及时的对用户电表电量进行抄读与管理，实现电力抄表的自动化、网络化和规 范化，是供电管理部门所面对的新挑战。传统的抄表方式是依靠抄表员定期到现场抄 读用电数据，由于工作量大，往往造成抄表不及时，抄表过程中存在随意性，采用预 估法使实际用电量与结算电量存在较大误差，对用电情况难以进行有效监管的不利局 面。这种高成本，低效率，耗时耗力的抄表方式已不适应社会发展的需求，阻碍了峰 谷计费，预付费等便民新业务的开展。正是在这样背景下，自动抄表技术应运而生， 并在实际应用中不断完善、发展。 我国电力系统抄表方式正处在逐渐由人工上门抄表向利用网络技术进行自动抄 表、由低效抄表向高效抄表的转变期。目前，在众多的自动抄表方案中，依据用户电 表用电数据的传输方式、传输途径不同主要分为三类：第一类，用户利用i c 卡事先 购买用电量、第二类，电力部门利用现有有线网络抄表、第三类，重新组建或利用现 有无线网络实现无线抄表。 i c 卡预付费方式要先将i c 卡进行充值，购买电量，把充值后的电卡插入专用i c 电表即可使用。这种用户先期购买用电量的方式克服了人工抄表的一些弊端，但仍然 存在很多不足，例如i c 卡易损坏，对用户电表仍然难做到实时监控，用户实际用电 情况与管理系统中的用电数据存在一定差异等缺点。 利用有线网络抄表具有数据传输可靠性高，传输容量大等优点。目前电力部门使 用最为广泛的是采用电力载波线的方式进行电能数据的采集。采用电力载波线抄表节 约了重新布线的成本，同时又实现了抄表的实时性、准确性，对用户电表可以进行有 效管理与监控。但总体来说有线网络建设成本太高、布线复杂、组网周期长，而且系 统性能升级缓慢，有线网络间的相互衔接性也较差。 利用迅猛发展的无线通信技术结合网络技术进行无线抄表，组网快、造价低，维 护方便、数据采集及时精确，很好的克服了有线抄表的缺点，极大的提高了电力部门 对用户用电情况的管理效率，因此无线抄表将会成为主流方向。目前无线抄表主要方 案有：第一，采用手持抄表器与用户电表间进行点与点无线数据采集、第二，利用无 线局域网络实现用户用电数据近程采集、第三，利用移动运营商现有g p r s c d m a 移动蜂窝网络进行远程数据传输与采集，或者将几种不同技术标准的无线网络进行组 合，利用各自优势取长补短，利用综合组网方式进行用电数据远程采集。 l 绪论硕士论文 1 2 几种短距离无线通信技术比较 无线数字通信和计算机技术的发展使短距离无线通信技术在工业生产和日常生 活中得到广泛应用。最简短距离无线通信系统由一对无线收发器组成，具备以下特征： ( 1 ) 无线发射功率在几微瓦到1 0 0 微瓦之间 ( 2 ) 通信距离范围在几厘米到几公里 ( 3 ) 使用全向天线和线路板天线 ( 4 ) 不需要申请无线频道 ( 5 ) 信号高频发送与接收 ( 6 ) 无线发射器和无线接收器采用电池供电【1 】 短距离无线通信技术正朝着网络化、标准化和智能化方向发展。将各个通信设 备作为节点进行组网互联，实现区域内数据的无线传输与共享，并对通信与组网中的 各项技术指标予以整理规范，达到无线数据通信技术应用的有序与高效。同时，把微 控制器与通信设备结合，做成片上系统芯片，也极大的提高了通信过程的可控性。当 前z i g b e e 、无线局域网( w i f i ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 等新兴无线网络技术应用比较广泛。 1 2 1 蓝牙技术 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是开放的短距离无线通信技术，采用高速跳频和时分多址技术， 使用i e e e 8 0 2 1 5 1 标准，工作在2 4 g h z 频带，带宽1 m b s 。蓝牙设计之初是用来代替 红外通讯方式的，因此其最大缺点是信号传输距离短，最大传输距离仅为1 0 米，传 输速度相对较慢。主要应用于手机、电脑、家用电器设备等消费电子产品的无线连接 上，很难适应工业上对无线通讯的需求。 1 2 2w i f i 技术 w i _ f i 是无线局域网( w l a n ) 的一种，遵循i e e e 8 0 2 1 1 b 标准，工作频段为 2 4 g h zi s m 自由频段，采用直接序列扩频( d s s s ) 技术，最高传输速率可达11 m p i t s ， 在受干扰情况下，带宽具备在5 5m b s 、2m b s 、lm b s ，三种速率上进行自动调整 功能，使网络性能稳定可靠。最大通信距离近1 0 0 m 。其优势是传输速率高、性能稳、 建网快、但其通信质量和安全性不够理想，一般用作无线路由器和个人手持设备。 1 2 3z i g b e e 技术 z i g b e e 是以蜜蜂通过跳“之 字形状的动作来进行联络的方式而命名的无线通信 技术，采用i e e e 8 0 2 1 5 4 短距离、低速率无线通信标准，工作频带2 4 g h z ，直接序 列扩频( d s s s ) ，传输速率2 5 0 k b i t s 。z i g b e e 技术是针对市场实际需求，以牺牲传输 速率为代价实现低功耗、低成本的无线通信技术，在工业上广泛用于井下定位、温度 硕士论文基于z i g b e e 的电表无线抄表系统设计 实时检测、仪表无线抄读等领域。本课题就是在基于z i g b e e 技术基础上来实现电表 数据的无线抄读。下面将三种无线通信方式的优缺点列表对比，如表1 1 所示。 1 3z i g b e e 技术应用前景 z i g b e e 的优势并不在技术本身，而是根据市场需求，以低成本、低功耗的终端设 备和大容量、快速、便捷的组网方式来实现数据的实时采集和无线发送，加之与各类 传感器的结合，使其有广阔的应用前景。在医疗中利用医学传感器组建z i g b e e 网络 可以对病人身体的多项指标数据采样，进行远程诊断。在工业生产过程中，采用自带 温度传感器的z i g b e e 芯片组成无线局域网，对生产流程中的各点温度实现实时监控。 在井下作业中，作业人员通过携带具有无线定位引擎的z i g b e e 设备，可以方便的实 现井下人员工作位置查找。利用z i g b e e 技术可以高效的实现用户电表数据的无线采 集，实现真正的自动化抄表。同时，在农业、管理、家庭生活、个人无线通信等众多 领域，z i g b e e 技术都有着很好的应用空间。 表1 1 三种无线通信方式对比表 种类z i g b e e蓝牙0 2 1 l b 4 q ) 单点覆盖距离 5 0 3 0 0 米l o 米5 0 米 网络扩展性自动扩展无无 复杂性简单复杂非常复杂 传输速率2 5 0 k b p s1 m b p s 1 - 11 m b p s 频段8 6 8 池- 2 4 g h z 2 4 g h z2 4 g 王王z 网络节点数6 5 0 85 0 联网时问仅3 0 鼋秒高达l o 秒3 秒 终端设备费用低低同 网络使用费用无无无 安全性 1 2 8 b i t a e s 6 4 b k ：1 2 8 b i t s s i d 集成度可靠性同同一般 使用成本低低一般 安装使用难易非常简单一般 难 1 4z i g b e e 技术在电表无线抄表中的应用 z i g b e e 技术的产生，使通信方式向着低成本，低功耗和网络化方向发展。其中无 线抄表为z i g b e e 技术典型应用之一。在民用中，可以实现家庭电、水、气三表数据 的联合无线抄读。在国内，由于上述三表分属于不同行业，因此联合抄读并未真正实 现。但在电表抄表中，国家电网已有数百亿预算用于集抄系统的改造，使得z i g b e e 技术在此领域的研究与应用最为广泛。 目前，利用z i g b e e 技术进行电表数据无线抄读主要有三种方式。第一种由z i g b e e l 绪论硕士论文 采集端通过r s 4 8 5 总线将单元楼内各用户电表数据集中采集，抄表员利用z i g b e e 手 持设备将采集端收集的用户用电数据以无线传输方式接收、存储，实现了不入户抄表。 第二种利用z i g b e e 无线网络功能，组建无线局域网。局域网内设置协调器、路由器 以及与用户电表相连的z i g b e e 采集终端，将电表数据通过无线网络传输、收集，最 终由协调器将数据送给主控计算机进行处理，实现无线近程抄表。第三种是将z i g b e e 近程抄表网络通过g p r s c d m a 模块与移动通信网互联，实现电表数据远程抄读。 此方案在技术上已有实现，并且在国外使用较多。但从实际应用角度考虑，在国内要 得到广泛使用仍有困难。一是硬件成本会较大增加，二是移动通信网络为付费网络， 使用此网络会产生大量额外费用。三是移动通信网络并非绝对可靠，网络的中断与阻 塞会直接影响到抄表的效果。因此目前最为常用的仍为前两种方案。 z i g b e e 技术的不足在于我国规定的i s m ( i n d u s t r i a l 、s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ，工业、 科学，医疗) 频段为4 3 3 m h z 和2 4 g h z ，而4 3 3 m h z 在z i g b e e 网络通信频段之外， 只有2 4 g h z 频段可以使用，而蓝牙、w i - f i 技术都使用2 4 g h z 免费频段。因此 在有这两个网络存在的场合建立z i g b e e 网络很容易产生同频干扰，影响网络质量。 1 5 论文结构安排 论文以z i g b e e 无线通信技术为基础，结合机械式电表改造，实现电表用电量的无 线抄读。全文共分六章。 第一章介绍了无线抄表现状，对几种无线通信技术优缺点进行比较，确定以 z i g b e e 技术来实现电表无线抄表功能。 第二章分析了z i g b e e 无线通信技术的协议栈结构。重点描述了z i g b e e 协议栈组 成及其特点，并对树型路由拓扑结构进行了分析与推导，明确了路由深度与路由成本 的计算方法。 第三章给出整个系统设计的框架与思路。硬件分为电表改造与无线通信模块两 大部分。软件以i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 为开发平台，结合z i g b e e 协议栈来实现。 第四章设计了电表改造电路和无线通信电路。电表改造电路以红外方式实现对 机械式电表铝盘旋转圈数准确计读，结果以数字脉冲方式输出。在无线通信模块中， 分别设计了系统电源、复位、显示、无线通信接口等电路以及以c c 2 4 3 0 为核心的无 线收发处理电路。 第五章以协调器、路由器和终端设备所构成的最简串状网络为例，给出了协调 器建网、各设备入网到最终网络形成的具体流程。 第六章给出了系统通信程序，并以串口调试助手软件观察协调器在整个网络形 成过程中的不同状态，从而来验证系统数据传输与组网功能的正确性，最终进行实物 验证。 4 硕士论文 基于z i g b e e 的电表无线抄表系统设计 2z i g b e e 网络结构 2 1z i g b e e 技术特点 功耗低：z i g b e e 通信具有低速率，小流量，短时间的特点。设备搜索时延为3 0 m s ， 信道接入时延为1 5 m s 。z i g b e e 技术通过长时间非工作休眠状态来节省电能消耗，延 长电池使用时间，电池寿命可达6 到2 4 个月左右。 传输可靠：z i g b e e 技术在数据传输过程中的可靠性体现在收发设备对数据传输过 程的确认机制上。设备所发数据必须要等到接收设备正常接收后的确认回复，并对此 确认回复再回复才算完成一次成功的数据传输，否则发送设备默认为数据丢失，将上 次数据重新发送。通过采用碰撞避免机制对数据传输过程的严格控制，有效提高了数 据通信的可靠性，避免了网络中多路数据堵塞和冲突的情况，对带宽时隙资源利用也 更加充分。 安全性：对应于不同的应用，z i g b e e 为数据无线传输提供三个层次的安全保护功 能。第一层为不提供安全保护。第二层通过接入控制清单来隔离非注册设备对网络的 侵犯以防止网络数据的外泄。上述两层都没有对数据的无线传输提供加密功能。第三 层的安全性为最高级别，即通过高级加密标准( a e s ) 所定义的密码对无线传输中的 数据提供安全保护，从而有效保护数据净荷、禁止非法设备获取网络数据【2 】。 2 2z i g b e e 协议栈 2 2 1z i g b e e 协议结构 z i g b e e 协议采用i e e e8 0 2 1 5 4 无线标准，分为物理层( p h y ) 、介质介入控制 层( m a c ) 、网络层( n w k ) 和应用层( a p l ) ，其中i e e e 只制定了底层的物理 层和介质介入控制层标准，网络层和应用层标准由z i g b e e 联盟制定。在应用层结构 中又包含应用支持子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 以及制造商制定的应用对 象【5 】。z i g b e e 协议结构如图2 1 所示。 ( 1 ) 物理层：z i g b e e 的物理层通过定义使物理通信信道与m a c 层衔接，提供 该层的数据库并对其进行管理。主要功能包括激活和休眠射频收发设备，对信道能量 进行检测、对数据包的接收情况即链路质量指示、空闲信道评估和数据收发等。其数 据格式如表2 1 所示，表中的p s d u 可携带m a c 层帧信息。同时，物理层将通信频 率分为2 4 g h z ( 全球通用频段) 和8 6 8 9 1 5 m ( 欧洲美国频段) 两种。后者主要为 了规避与其它2 4 g h z 通信设备的互扰，但都使用i s m 免费频段，采用d s s s 直接序 2 z i g b c e 网络结构 硬沧文 列扩频。d s s s 扩频是通过伪噪声对有用信号的相位进行o - q p s k ( 偏移四相相移键 控) 调制，i q 信号间相位偏移度为+ 9 0 。，将调制后的信号再与载波相乘实现混频， 曩攀毒曩幽= 黜 匿2 】z i g b e e 协议结构 使射频信号频谱扩展到与伪噪声频谱相同的带宽，从而将信号传输所需的能量降到最 低限度。在z i g b e g 的24 g h z 频段共定义了间隔为5 m h z 的1 6 个信道。 表2 i 物理层数据包格式 l4 字节l 字节l 字节3 r ：l t i l 前同步码帧定界符桢长度预留物理层数据 p 删 同步岜头物理层包头物理居净荷 ( 2 ) m a c 层：m a c 层处于网络层与物理层之间。作为两者间的接口，m a c 层 通过两个接入点( s a p ) 分别访问m a c 层内的公共部分子层和管理实体，并向上层 提供数据服务和管理功能。其数据格式由包含帧控制、序列号和地址域的帧头和帧载 荷( 长度可变) 、帧尾校验组成。其结构如表2 2 所示。m a c 层主要实现通信信道 的建立、保持、撒消，负责信道的链接与控制，对帧数据的传送质量进行确认并提供 校验功能、请求重发功能、时隙和广播管理。在m a c 层与物理层之间的无线信道接 入过程中，最显著的特点是在信道接八方式上采用c s m a c a 的免冲突载波检测多址 技术。在i e e e8 0 2 1 5 4c s m a c a 规范中，网络协调器会给网络中所有可感应节点 发出信标，若设备有数据霈传送，则会向网络协调器发送传送请求，由于在某段时间 内只能有一个设备与协调器进行通信，因此所有需要通信的节点就采用c s m a c a 竞 争机制获得信道使用权。所有数据待传节点持续监测目前的无线传输媒体是否为空闲 状态，若空闲，这些设各会产生一个随机倒退延迟时间错开这些设备因同时发送数 硕士论文 基于z i g b e e 的电表无线抄表系统设计 据而造成碰撞的可能。若产生碰撞，则稍后一段时间自动重传。i e e e8 0 2 1 5 4 规定， 经过4 次后退延时后信道仍然忙，则退出此次发送以节省电能消耗。 ( 3 ) 网络层：网络层由数据实体( n l d e ) 和管理实体( n l m e ) 组成，通过各 自上层接口为应用层提供服务。管理实体利用与数据实体间的接口，实现对网络信息 库( n i b ) 的管理，并完成网络管理任务。网络层功能主要包括网络的建立、路由选 择、设备发现和寻址、网络层协议数据数据单元( n p d u ) 形成以及通信过程的安全 性。利用r e q u e s t 、i n d i c a t i o n 、c o n f i r m 原语支持对等实体间网络层数据单元( n p d u ) 的传输，实现相应的服务功能。 表2 2 m a c 层数据包格式 2 字节1 字节02 字节02 、7 8 字节 0 7 2 字节 0 27 8 字节 可变2 字节 目的p a n目的地址源烈源地址 帧控制序列号 标识符标识符 帧载荷帧尾校验 m a c 层地址域 ( 4 ) 应用层：应用层包括应用支持子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ，包 括z d o 管理平台) 和厂商定义的应用对象( 编号1 - 2 4 0 ) 组成。应用支持子层( a p s ) 为网络层( n w k ) 和应用层( a p l ) 之间提供接口，使z d o 和厂商定义的应用对象都可 以使用一组服务来实现，其功能为建立维护设备绑定表、进行绑定设备间的信息传送、 确定应用层数据的帧格式和类型，并为z d o 提供数据服务。z d o 作为对原语的应用， 实现设备与服务发现、网络与绑定管理、安全性( 各项密匙功能) 、节点管理功能。 厂商定义的应用对象则应由所提供的具体应用描述来实现。 2 2 2z i g b e e 设备分类 在z i g b e e 无线通信网络中，各节点设备的功能并不完全相同，根据各自在网络 中所起的作用可以分为f f d 设备和r f d 设备。与f f d 设备比较，r f d 设备的电路 功能、存储空间都较少。f f d 节点在网络中可起控制器作用，可进行数据双向交互， 而r f d 在与f f d 通信时只可单向传送、接收数据，常用作网络数据采集、传送的终 端。因此，f f d 可以充当r f d 设备使用，反之则不制酬。 根据各节点在网络中所起的作用不同，可分为协调器、路由器和终端设备三种。 在z i g b e e 网络中，协调器是唯一的，由它负责整个网络的建立与管理，路由器和终 端设备要加入网络必须先在协调器中登记注册。协调器必须由f f d 设备承担。路由 器可以通过接力的方式增加网络设备的通信距离，帮助协调器存储数据，在协调器故 障时可以充当协调器角色，也必须由f f d 设备承担。终端设备结构相对简单，功能 相对较少，只负责数据的采集与收发，并不参与网络管理，因此终端设备功耗很低， 7 ! 堕堕竺堑竺塑堡主丝兰 电池使用寿命较长，一般采用r f d 设各。 2 2 3z i g b e e 同络拓扑 z i g b e e 网络结构中，有星型、树型和网型三种拓扑结构，如图2 2 从左至右所示。 黑、灰、白三种颜色圈分别代表协调器、路由器和终端节点。 在星型拓扑结构中，网络由协调器和终端设备组成。终端设备只能与协调器直接 通信，终端设备间通信必须通过协调嚣转发。 树型拓扑结构的实质是将多个星型网通过路由的方式与协调器相连，树型网络中 的各终端设备，只能与自己相连的节点直接通信，终端设备问通信要通过子层、父层 路由器或协调器来转发。 网型拓扑是在树型拓扑的基础上允许路由器间直接相连，以缩短信息的传递路 径，减小数据传输的时间开销。同时由于信息可多径传递，克服了树型结构中，因某 一路由的损坏而造成网络局部瘫痪的可能性。这种结构的不足之处在于随着网络路径 数量的增加，需要更多的存储空间来存放路径信息。 搽舔豁 协调器0 路由嚣o 终端设备 图2 2 z i g b e e 网络拓扑图 2 2 4z i g b e e 路由算法 树型路由包括地址分配和路由形成两块。协调器负责网络的建立与管理，协调器 建网时同时将6 4 位初始i e 地址o x0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 赋予自身，作为整个网络的起 始地址。协调器处于网络的首层，其深度用参数d 神。卸表示。新节点i 若希望通过 与其上层节点k 联络而入网，节点k 与节点i 间就形成父子关系。父节点将为与自己 直接相连的子节点分配i e 地址，待加入网络的新节点i 的正地址为a ，其网络深度 为父节点深度加1 ，即d e p t h i = d e l x h k + i 。 图2 3 为z i g b e e 树型网络结构示意圈。网络中非终端设备所能携带子设备数量的 峰值用n 刊d h x a 由d r 眺( c m ) 参数说明，c m 表明子设备峰值数。父设备所允许携带的 ! ! 塑! ! ! ! 塑! ! ! i ! ! i i ! l ! 子设备中路由器的峰值用参数埘出m 扛r o u t 彤但m ) 说明，其中p a n 表明具体的路由器 峰值数。终端设备峰值数由子设备峰值数与路由器峰值数相减后得到，即由公式 c m r m 获得。 k 础j c “。“l ” ，一。 03 二二) o eo c 、f 图2 3z i g b e e 树型结构 新设备i 若为非路由器的终端设备，且以协调器作为其父节点并通过协调器加入 网络，作为协调器的子节点而存在。则子节点i 的m 地址由父节点k 依据公式21 来 进行配置，其中公式中参数d 为于节点在网络中的具体深度。 山则蛳( d ) - r m + a 其中1 雪睚( c m - r a 0 ( 2 1 ) 若新设备是以路由器角色而存在的全功能设备，而非终端设备，则其地址由 父节点k 按照公式2 2 的定义进行具体配置。 a , = a k + i + c s i 面( d ) - ( n 1 )( 2 2 ) 其中c s k i p 定义如公式2 3 所示 1 1 + c m ( d n d 一1 ) ，如果r m = l 饿1 萨 1 + c r n 一砌一c m 翩“一l ll r m ( 2 3 ) 不满足上述条件，网络深度峰值则用肿出池x d 印t h 壤示。 若路由器向网络中m 地址为d 的设备传输数据，其中a 和d 分别为路由器的 地址和深度。则依据所示公式： a q c _ 一 q h ，下降沿移位寄存器数据不变。 显示器背光采用3 3 v 正电源，显示器控制信号经j p l 接口与c c 2 4 3 0 相连，受其内 部8 0 5 1 控制，具体连接如图4 1 2 所示。 图4 1 2 显示电路 一一一一一一一一一一一一 4 系统硬件电路设计 硕士论文 表4 2o c m l 2 8 6 4 9 引脚描述 引辫编弩弓l 獭笔称方翔葶l 脚功能撩述 l v s s 王 逻辑电源地测 2 励z 逻辑电源菠3 剪 3 n c ( v o ) z 悬空 4 a 0 数据? 攒令选撵；旒电警：d 哟固b 7 瓷燮承敌_ 搔i 骶电平：d b 0 - d b 7 为撵f l ，指 r w ( 。勰) 谑写控制脚：巍接口定义为8 8 0 0 接口鞋i l q r = h ：镤豫俸 5i 嚣佩：鬈操作 迎接羽窀踅为s 0 8 0 接口磅。, t r 为写久控靓脚 毒援门定义为8 8 0 0 羧褥瓣为经能黪制辨，e = h 育嫂 6 e ( 勉) j 缓翻定义为8 0 , s 0 授翻对，r d 为瀵控制猢，低商设 7 d b q i o 数搦 0 ，、 勺出f j 牌 8 潞l i ，j o 数糍询、翰出弓l 脚 9 d b 2 i 0 数攥询入蝓出弓l 脚 1 0 d b 3 i 0 数簇褊久翰滋弓l 嘲 至l d b 4 i 7 0 数糍询入输出弓 嬲 董2强5i 0 数糕询人翰蹴弓l 嬲 1 3 d b 6 i 如， 数锻翰人构出弓l 膦 1 4 d b 7 i 0 数弦 裔入翰出弓l 脚 1 5 c s l z j ；选择痿垮坻电平时商 1 6黼 懋空 1 7 r s t 砭忿髂蟹低电警裔锻 l g( v e e ) o 憨空 1 9l e d + 王 背光电源，l e d f 3 。3 v ) 2 0乙e d 一王 褥惫电源，l e d f 0 v ) 4 2 6 通信接口电路设计 为了实现网络协调器与管理主机间的相互通信，在主板中设计了u a r t 异步串 行接口模块和u s b 接口电路，对于无串口的管理主机可通过u s b 口接收抄表数据。 在u a r t 串口电路中，采用s i p e x 公司的r s 2 3 2 收发器芯片s p 3 2 2 3 e 结合d b 9 连接器实现t t l 、c m o s 电平与r s 2 3 2 电平的相互转换。 实际设计中，接收器与驱动器都只使用一路，即驱动器中使用t i i n 和t i o u t ， 接收器中使用r i i n 与r i o u t ，因此，将t 2 i n 接地，t 2 0 u t 与r 2 i n 直连，使r 2 0 u t 无输出。同时，设计中没有使用自动唤醒功能，故将1 4 脚、2 0 脚低电平有效的o nl i n e 和s h u t d o w n 信号接电源，使唤醒功能失效而内部驱动器始终有效。具体连接如 图4 1 4 所示。 设计u s b 接口可以方便协调器与笔记本电脑的数据通信。在电路中采用f t d i 公司的f t 2 3 2 r l 芯片实现u s b 口到串口的转换。 图4 1 6 中j 3 为u s b 接口，l 脚5 v 电源输出端与f t 2 3 2 r l 的4 、2 0 脚相连，为 转换芯片提供电源。2 、3 脚数据端与f t 2 3 2 r l 的1 6 、1 5 脚相连，f t 2 3 2 r l 的1 、5 2 6 硕士论文 基于z i g b e e 的电表无线抄表系统设计 j d b l 二三 d b 9 9 _ 一 1 6 8 1 7 1 墨 叫 0 1 1 t f 7 - 叫产 卑c 1 1 1 澄0ll 妇 配o t r r r 2 n 呵r l o u t r l d tt 2 呵 t 2 0 u rt n t l o u t 警汽a 0 n i j n e s h i r i d o w n 圈e n c 2 一 v c 2 + v +c l 一 嘏3 2 2 3 e 望一 ! ：墅翌l 网l 卜t x d l 坚一 争_ v c c 乒臀n l i 图4 1 4 串口电路图 脚为串行数据输入输出端。1 9 脚为芯片设置端，在不需要时此脚应悬空或接电源， 设计中将其接3 3 v 电源。由于使用内部1 2 m h z 振荡器，故2 7 、2 8 脚外接晶振端按 要求悬空。1 7 脚为芯片内部3 3 v 输出端，用来给外部u s b 器件提供电压。电路中 已有3 3 v 电源，因此1 7 脚经1 0 0 n f 电容后接地。2 6 脚为芯片测试端，在芯片正常 工作时该脚必须接地。2 3 、2 2 、1 3 、1 4 、1 2 五个引脚为芯片内部e e p r o m 控制端， 芯片出厂时已进行初始设置，在本设计中上述引脚悬空。2 、3 、6 、9 、1 0 、1 1 脚为 与d b 9 串口相连的数据控制功能引脚，其定义分别为：r t s 请求发送、c t s 清除发 送、d t r 数据终端准备，d s r 数据准备就绪、d c d 载波侦测、黜振铃指示。从图 4 1 4 中可知，d b 9 接口中仅使用t x 与r x 引脚，上述引脚均未使用。 2 f h ! ；2 r i 2 7 碟i ： 4 系统硬件电路设计 硕士论文 j 3 4 2 7j t a g 接口电路设计 2 8 图4 1 6u s b 接口转换电路图 系统程序的下载与调试通过双排1 0 脚的j t a g 接口j 1 实现。 c o n 4 d ，、 l2 v ( c p 2 2 ：x t 2 1 34 r e s e t 5 6d 78 d 一 - - - - - c9l o0 - - - - - 图4 1 7 下载接口电路 竺主堡苎墨王! ! 竖塑璺壅查塑堑塞墨堡堡堡 5 z i g b e e 组网 完整的z i g b e e 无线网络由终端设备、路由器及协调器组成。设备功能建立与设 备间通信必须遵循z i g b e e 协议栈规范，协议棱中各项规范以函数的形式存放于与之 对应的文件目录中由i a r e m b e d e d e w o r k b e n c h 软件开发平台进行管理。软件 以原语的方式实现协议栈各项功能的调用。z i g b e e 2 0 0 6 协议栈结构如图5l 所示。 嘞e x i t p r o o ft o o l sw 喇mh e b 百i i iii 1 i ：一1 c o o t d i n a t o t e b，i f i l e s，= 咚 j 圄s a m p l e a p p c o o r d i n ， _ 圈口a p p 口 h a l 口口m a c _ 口口m t _ 口口n w k _ 田口o , s 4 l l _ 田口p r o f i l e _ 田口s e c u r i t y 雹口s er v i c e s - 母口t o o l s _ 母口z d o _ 田口z m e t c _ 口口z m a i n _ 母口o u l p u t 匿5 1z i g b e e 2 0 0 6 协议栈结构 ( 1 ) a p p ：应用层目录。 ( 2 ) h a l ：硬件层目录。 ( 3 ) m a c ：m a c 层目录。 ( 4 ) m t ：实现通过串口可控各层。 ( 5 ) n w k ：网络层目录。 ( 6 ) o s a l ：协议栈的操作系统。 ( 7 ) p r o f i l e ：a f 层目录。 5 z i g b e e 组网 硕士论文 ( 8 ) s e c u r i t y ：安全层目录。 ( 9 ) s e r v i c e s ：地址处理函数目录。 ( 1 0 ) t o o l s ：工程配置目录。 ( 1 1 )z d o ：z d o 目录。 ( 1 2 ) z m a c ：m a c 层目录。 ( 1 3 ) z m a i n ：主函数目录。 ( 1 4 ) o u t p u t ：输出文件目录【引。 5 1 协调器建立网络 新网络的建立必须由z i g b e e 协调器来完成，其它设备不允许建网。否则n w k 层n l m e 将发送无效请求的n l m e